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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung des Schleppmoments einer
Viertakt-Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch
1 näher
definierten Art.
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Verfahren
bzw. Vorrichtungen zur Erhöhung des
Schleppmomentes sind unter dem Begriff "Motorbremse" vor allem im Nutzfahrzeugbereich bekannt.
Hier wird entweder mittels einer Auspuffdrossel, durch Verstellen
der Auslassventilsteuerzeiten in Richtung spät oder durch den Einsatz zusätzlicher Drosselventile
im Zylinderkopf der Ausschiebevorgang der Zylinderladung zumindest
zeitweise behindert. Damit muss der Kolben zusätzliche Ausschiebearbeit leisten
und das Schleppmoment des Motors erhöht sich. Nachteilig ist der
erhöhte
Bauaufwand, der den Einsatz einer Motorbremse bisher auf den Bereich
der Nutzfahrzeuge beschränkt
hat.
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Besonders
bei geringeren, aber lang anhaltenden Verzögerungen kann es sinnvoll sein,
wenn die Rad-Bremsanlage entlastet bzw. unterstützt wird, da sonst eine thermische Überlastung
auftreten kann. Des weiteren treten auch Situationen auf, in denen
nur eine geringe Verzögerung
notwendig ist, beispielsweise bei Bergabfahrten mit Tempomat, in denen
eine bestimmte Geschwindigkeit gehalten werden soll, oder wenn mit
einem sogenannten Abstandstempomat ein bestimmter Abstand zu einem vorausfahrenden
Fahrzeug eingehalten werden soll. In solchen Fällen kann es sinnvoll sein,
den Verschleiß der
normalen Bremsanlage zu verringern, indem auf den Einsatz derselben
verzichtet wird.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Vergrößerung des
Schleppmoments einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches mit
möglichst
einfachen Mitteln eingesetzt werden kann, um beispielsweise die
Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch
das Schließen
des in dem Einlasskanal angeordneten Steuerelements zu dem Zeitpunkt, zu
dem sich der Kolben während
des Ansaugtakts in der Nähe
des oberen Totpunkts befindet, entsteht bei der Bewegung des Kolbens
in Richtung des unteren Totpunkts ein Unterdruck in dem Zylinder,
der mit einem Aufstauen des Gases im Einlasskanal vor dem Steuerelement
verbunden ist. Das Öffnen
des Steuerelements zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Kolben während des
Ansaugtaktes in der Nähe
des unteren Totpunkts befindet, führt zu einem plötzlichen
Einströmen
des Gases aus dem Einlasskanal in den Zylinder, was wiederum zu
hohen Strömungsverlusten führt. Diese
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehenden
Strömungsverluste
erzeugen ein sehr viel höheres
Schleppmoment als dies bei einem üblichen Betrieb der Brennkraftmaschine
erreicht werden kann und zudem ist eine feinfühlige und hochdynamische Steuerung
des dem Antriebsmoment der Brennkraftmaschine entgegenwirkenden
Schleppmoments möglich.
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Erfindungsgemäß wird lediglich
ein schnell schaltendes Steuerelement in dem zu dem Zylinder führenden
Einlasskanal benötigt,
was keinen zusätzlichen
Vorrichtungsaufwand erforderlich macht, wenn dieses Steuerelement
schon zu anderen Zwecken am Motor vorgesehen ist.
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Eine
alternative Lösung
der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 3.
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Durch
das Verschließen
des Auslasskanals mit Hilfe eines darin angeordneten Steuerelements zu
demjenigen Zeitpunkt, in dem sich der Kolben während des Ausstoßtakts im
Bereich des unteren Totpunkts befindet, wird das in dem Zylinder
sich befindliche Gas komprimiert, sodass ein sehr hoher Druck in
dem Zylinder entsteht, und kann durch das Freigeben des Auslasskanals
zu demjenigen Zeitpunkt, zu dem sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts
befindet, mit sehr hohen Strömungsverlusten
aus dem Zylinder entweichen. Auch in diesem Fall führen die
durch das erfindungsgemäße Verfahren
entstehenden Strömungsverluste
zu einem sehr hohen Schleppmoment der Brennkraftmaschine.
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Mit
beiden erfindungsgemäßen Verfahren kann
vorteilhafterweise in einem Kraftfahrzeug der Einsatz der Radbremsen
in vielen Fällen
vermieden werden, sodass einem Verschleiß sowie der Gefahr der Überhitzung
der Radbremsen entgegengewirkt wird. Mit Hilfe des Verfahrens ist
es beispielsweise möglich,
Gefälle
zu befahren, ohne dass das Getriebe notwendigerweise in einen Gang
mit kürzerer Übersetzung
geschaltet werden muss oder die Radbremsen zu Hilfe genommen werden
müssen.
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Weitere
Beispiele, bei denen das Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden
kann, sind die Regelung eines Abstandes zu einem dem mit der Brennkraftmaschine
ausgestatteten Kraftfahrzeug vorausfahrenden Kraftfahrzeug und die
Verringerung der Drehzahl der Brennkraftmaschine bei einem Gangwechsel
eines mit der Brennkraftmaschine verbundenen Getriebes.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend
anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Dabei
zeigen:
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1 eine Brennkraftmaschine,
mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
werden kann;
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2 ein Diagramm, in dem der
Zylinderdruck über
dem Hubvolumen bei ungedrosselter Brennkraftmaschine dargestellt
ist;
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3 ein Diagramm nach 2, in dem das Schleppmoment
dargestellt ist, welches sich durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einem in einem Einlasskanal der Brennkraftmaschine angeordneten
Steuerelement ergibt; und
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4 ein Diagramm nach 2, in dem das Schleppmoment
dargestellt ist, welches sich durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit jeweiligen in einem Einlasskanal und in einem Auslasskanal der
Brennkraftmaschine angeordneten Steuerelementen ergibt.
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1,
welche im vorliegenden Fall einen Zylinder 2 und einen in
dem Zylinder 2 eine oszillierende Bewegung zwischen einem
oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT ausführenden
Kolben 3 aufweist. Bei seiner Bewegung zwischen dem oberen
Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT verändert der Kolben 3 das
Volumen V eines Brennraums 4.
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Der
Kolben 3 ist in an sich bekannter Weise über ein
Pleuel 5 mit einer Kurbelwelle 6 der Brennkraftmaschine 1 verbunden.
Im vorliegenden Fall weist die Brennkraftmaschine 1 lediglich
einen Zylinder 2 auf, es könnte jedoch auch eine beliebige
andere Anzahl an Zylindern 2 mit darin angeordneten Kolben 3 vorgesehen
sein. Die Brennkraftmaschine 1 ist zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Zu
dem Brennraum 4 des Zylinders 2 führt ein
Einlasskanal 7, über
welchen in an sich bekannter Weise Ansaugluft oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
in denselben eingeleitet wird. Der Übergang von dem Einlasskanal 7 in
den Brennraum 4 wird durch ein Einlassventil 8 begrenzt,
welches den Ladungswechsel des Zylinders 2 in an sich bekannter
weise steuert. Von dem Zylinder 2 weg führt ein Auslasskanal 9, in
dem ein Auslassventil 10 angeordnet ist, welches ebenfalls
für den
Ladungswechsel in dem Zylinder 2 sorgt. Die Betätigung des
Einlassventils 8 und des Auslassventils 10 kann
in an sich bekannter Weise durch eine nicht dargestellte Nockenwelle
erfolgen. Selbstverständlich
kann jeder Zylinder 2 auch mehrere Einlasskanäle 7 und
Auslasskanäle 9 mit
einer entsprechenden Anzahl an Einlassventilen 8 und Auslassventilen 10 aufweisen.
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In
dem Einlasskanal 7 ist ein erstes Steuerelement 11 und
in dem Auslasskanal 9 ist ein zweites Steuerelement 12 angeordnet.
Die beiden Steuerelementen 11 und 12 können mittels
jeweiliger Aktuatoren 13 und 14, auf deren Funktionsweise
hier nicht näher
eingegangen werden soll, zwischen einer den Einlasskanal 7 bzw.
den Auslasskanal 9 freigebenden und einer den Einlasskanal 7 bzw.
den Auslasskanal 9 verschließenden Stellung bewegt bzw.
verstellt werden. In der Darstellung gemäß 1 befindet sich sowohl das erste Steuerelement 11 als
auch das zweite Steuerelement 12 in einer Zwischenstellung,
die jedoch in der Praxis für
gewöhnlich
nicht eingenommen wird.
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Zur
Steuerung der beiden Steuerelemente 11 und 12 sind
die Aktuatoren 13 und 14 mit einem Steuergerät 15 verbunden,
welches wiederum mit einem Kurbelwellensensor 16 in Verbindung
steht. Der Kurbelwellensensor 16 nimmt die Drehzahl bzw.
die Beschleunigung der Kurbelwelle 6 auf und gibt diese an
das Steuergerät 15 weiter.
Des weiteren zeigt ein mit dem Bezugszeichen 17 bezeichneter
Pfeil an, dass auch ein Fahrleistungswunsch eines Fahrers des Kraftfahrzeugs,
den dieser beispielsweise mittels der Stellung eines Gaspedals eingeben kann,
auf das Steuergerät 15 einwirkt.
Abhängig
von den Daten des Kurbelwellensensors 16 und/oder des Fahrleistungswunsches 17 legt
das Steuergerät 15 die
Stellung der beiden Steuerelemente 11 und 12 fest.
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Im
folgenden wird ein Verfahren beschrieben, mit dem an der Brennkraftmaschine 1 ein Schleppmoment
erzeugt werden kann, das dem Antriebsmoment der Brennkraftmaschine 1 entgegenwirkt,
beispielsweise um das Kraftfahrzeug um einen gewissen Betrag abzubremsen
bzw. negativ zu beschleunigen. Das Verfahren wird unter Zuhilfenahme des
ersten Steuerelements 11 und/oder des zweiten Steuerelements 12 durchgeführt und
kann auch für andere
Anwendungen geeignet sein, worauf jedoch später eingegangen wird.
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Zum
besseren Verständnis
der Grundlagen des Verfahrens ist in 2 der
Druck p innerhalb des Zylinders 2 über dem von der Stellung des
Kolbens 3 abhängigen
Hubvolumen V des Brennraums 4 aufgetragen. Das Hubvolumen
V verändert
sich in an sich bekannter Weise zwischen dem oberen Totpunkt OT des
Kolbens 3 und dem unteren Totpunkt UT desselben. Das Diagramm
gemäß 2 zeigt den Betrieb der
Brennkraftmaschine 1 ohne den Eingriff der Steuerelemente 11 und 12,
also lediglich den üblichen Gas-
bzw. Ladungswechsel, wie er durch die Hubbewegungen des Einlassventils 8 und
des Auslassventils 10 stattfindet. Eine Einspritzung von
Kraftstoff in den Zylinder 2 findet dabei nicht statt,
es handelt sich also um einen sogenannten unbefeuerten Betrieb.
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In
der mit dem Bezugszeichen 18 bezeichneten Niederdruckschleife,
in der der Ausstoßtakt
und der Ansaugtakt des Zylinders 2 der Brennkraftmaschine 1 zusammengefasst
sind, ist zu erkennen, dass bei der Bewegung des Kolbens 3 vom
unteren Totpunkt UT in Richtung des oberen Totpunkts OT, also während des
Ausstoßtakts,
der Druck p in dem Zylinder 2 um einen geringen Betrag
ansteigt. Diese Bewegung des Kolbens 3 wird durch eine
Linie 18a, die Teil der Niederdruckschleife 18 ist,
in dem Diagramm dargestellt.
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Dagegen
fällt bei
der Bewegung des Kolbens 3 vom oberen Totpunkt OT in Richtung
des unteren Totpunkts UT, also während
des Ansaugtakts, der Druck p innerhalb des Zylinders 2 um
einen geringen Betrag ab. Ähnlich
wie bei der Linie 18a wird auch diese Bewegung des Kolbens 3 durch
eine Linie 18b dargestellt, die ebenfalls Teil der Niederdruckschleife 18 ist.
Die Differenz zwischen diesen beiden Drücken, in 2 dargestellt durch die schraffierte
Fläche
zwischen den Linien 18a und 18b, stellt den Anteil
der Verluste an Gas- bzw. Ladungswechselarbeit am insgesamt entstehenden
Schleppmoment der Brennkraftmaschine 1 dar und ist lediglich
eine Folge der unvermeidlichen Strömungsverluste in den Kanälen und
an den Ventilen. Die Reibungsverluste, die ebenfalls einen Teil
des Schleppmoments bilden, sind in diesem p-V-Diagramm selbstverständlich nicht
dargestellt.
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In
der mit dem Bezugszeichen 19 bezeichneten Hochdruckschleife,
in der der Verdichtungstakt und der Arbeitstakt des Zylinders 2 der
Brennkraftmaschine 1 zusammengefasst sind, ist zu erkennen, dass
bei der Bewegung des Kolbens 3 vom unteren Totpunkt UT
in Richtung des oberen Totpunkts OT, also während des Verdichtungstakts,
der Druck p in dem Zylinder 2 erheblich ansteigt, was einer üblichen Kompression
entspricht, da die Gaswechselventile 8 und 10 geschlossen
sind. Diese Bewegung des Kolbens 3 ist durch eine Linie 19a,
die Teil der Hochdruckschleife 19 ist, in dem Diagramm
dargestellt.
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Bewegt
sich der Kolben 3 nach Überschreiten
des oberen Totpunkts OT während
des Arbeitstakts wieder entlang einer Linie 19b in Richtung
des unteren Totpunkts UT, so fällt
der Druck p in dem Zylinder 2 ab und verläuft wegen
der abgegebenen Wärme
des Gases an die Zylinderwand und wegen des Druckverlustes durch
sogenanntes Blowby-Gas unterhalb des während des Verdichtungstakts
herrschenden Drucks p, sodass auch hier ein Schleppmoment der Brennkraftmaschine 1 entsteht,
welches durch die schraffierte Fläche zwischen den Linien 19a und 19b dargestellt
ist. Die während
der Niederduckschleife 18 und der Hochdruckschleife 19 entstehenden
Schleppmomente stellen die beim ungedrosselten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ohne die
Einspritzung von Kraftstoff auftretenden Verluste dar und sollen
hier als Vergleichsbasis für
die erfindungsgemäßen Verfahren
dienen.
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Das
Diagramm von 3 zeigt
den Verlauf des Drucks p innerhalb des Zylinders 2 über dem Hubvolumen
V des Kolbens 3 in dem Brennraum 4 unter Einsatz
des ersten Steuerelements 11 in dem Einlasskanal 7.
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Dabei
wird das erste Steuerelement 11 zu dem Zeitpunkt, zu dem
sich der Kolben 3 kurz vor oder während des Ansaugtakts in der
Nähe des
oberen Totpunkts OT befindet, in seine den Einlasskanal 7 verschließende Stellung
gebracht, was dazu führt, dass über den
Einlasskanal 7 kein Gas in den Brennraum 4 angesaugt
werden kann. Während
der Bewegung des Kolbens 3 vom oberen Totpunkt OT in Richtung des
unteren Totpunkts UT wird das erste Steuerelement 11 in
dieser Geschlossenstellung gehalten, sodass sich ein gewisser Unterdruck
in dem Brennraum 4 einstellt. Dies ist an dem Verlauf der
Linie 20b der hier mit dem Bezugszeichen 20 bezeichneten Niederdruckschleife
in 3 erkennbar. Erst
mit Annäherung
des Kolbens 3 in den Bereich des unteren Totpunkts UT wird
das Steuerelement 11 in seine den Einlasskanal 7 freigebende
Stellung bzw. Offenstellung gebracht. Dadurch strömt das Gas
innerhalb sehr kurzer Zeit und daher mit relativ hohen thermodynamischen
Verlusten bzw. Strömungsverlusten
in den Brennraum 4 ein, so dass das durch den oben beschriebenen
Unterdruck entstehende Schleppmoment nicht wieder in ein positives
Moment für
die Brennkraftmaschine 1 umgewandelt werden kann, sondern
als Ladungswechselverlust zu dem tatsächlichen Strömungsverlust
führt.
Durch den größeren Bereich
zwischen den Linien 20a und 20b ist erkennbar,
dass das entstehende Schleppmoment erheblich größer ist als im Falle von 2.
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Im
p-V-Diagramm in 3 stellt
das Ausschieben gegen Umgebungsdruck und das eben beschriebene Ansaugen
bei geschlossenem Einlasskanal 7 eine gegen den Uhrzeigersinn
umfahrene Ladungswechselschleife dar, was für die Brennkraftmaschine 1 gleichbedeutend
mit einem erhöhten Schleppmoment
ist. Dadurch, dass am Ende des Ansaughubs dennoch die volle, nur
um die erhöhte Temperatur
gegenüber
den Umgebungsbedingungen geminderte Luftmasse in den Zylinder 2 strömt, ist
die anschließende
Hochdruckschleife 19 ähnlich der
der ungedrosselten Brennkraftmaschine 1 und es entsteht,
im Gegensatz zur gedrosselten Brennkraftmaschine 1 auch
in dieser Phase der Kolbenbewegung das Schleppmoment der angedrosselten Brennkraftmaschine 1.
Das gesamte Schleppmoment ist daher sogar größer als das der gedrosselten Brennkraftmaschine 1,
obwohl dessen Ladungswechselschleife etwas größer ist, zumindest wenn man
Beginn und Ende der Schleifen im unteren Totpunkt UT definiert.
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Der
Bereich, in dem das erste Steuerelement 11 in seine Geschlossenstellung
gebracht wird, ist mit dem Bezugszeichen 21 versehen und
gestrichelt dargestellt. Der Bereich, in dem das erste Steuerelement 11 in
seine Offenstellung gebracht wird, ist mit dem Bezugszeichen 22 versehen
und ebenfalls gestrichelt dargestellt. Die zusätzlich entstandene Fläche 23 zwischen
den Linien 18b und 20b stellt das zusätzliche
Schleppmoment dar.
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In 4 ist der Druck p innerhalb
des Zylinders 2 dargestellt, wenn zusätzlich zu dem Verschließen des
ersten Steuerelements 11 in dem Einlasskanal 7 auch
das zweite Steuerelement 12 in dem Auslasskanal 9 verschlossen
wird. Allerdings ist zu beachten, dass das Verfahren auch lediglich
mit dem zweiten Steuerelement 12 und somit ohne das erste Steuer element 11 durchgeführt werden
kann. Der Verlauf des Ansaugdrucks entspräche dann der Linie 18b aus 2.
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Das
zweite Steuerelement 12 wird zu dem Zeitpunkt, zu dem sich
der Kolben 3 kurz vor bzw. während des Ausstoßtakts im
Bereich des unteren Totpunkts UT befindet, in seine den Auslasskanal 9 verschließende Stellung
bzw. Geschlossenstellung gebracht, wodurch der sich vom unteren
Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT bewegende Kolben 3 das Gas
nicht ausstoßen
kann sondern in dem Brennraum 4 komprimiert und dabei einen
erhöhten
Druck p des Zylinders 2 entsprechend der Linie 20a erzeugt.
Die Tatsache, dass der Druck p in dem Zylinder 2 entlang
der Linie 20a geringer ist als während der Hochdruckschleife 19 hängt damit
zusammen, dass der durch den Kolben 3 komprimierte Raum
um den Raum zwischen dem Auslassventil 10 und dem zweiten
Steuerelement 12 vergrößert wird.
Der Bereich, in dem das zweite Steuerelement 12 in seine Geschlossenstellung
gebracht wird, ist mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet
und gestrichelt dargestellt.
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Zu
demjenigen Zeitpunkt, zu dem sich der Kolben 3 in der Nähe des oberen
Totpunkts OT befindet, wird das zweite Steuerelement 12 in
eine den Auslasskanal 9 freigebende Stellung bzw. Offenstellung
gebracht. Dadurch entweicht das Gas schlagartig und mit hohen Strömungsverlusten
durch den Auslasskanal 9 und die Verdichtungsarbeit, die
der Kolben 3 während
seiner Bewegung vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT an
dem in dem Brennraum 4 sich befindlichen Gas verrichtet
hat, wird nicht an den Kolben 3 zurückgegeben, sodass ein sehr
hohes Schleppmoment entsteht. Auch hier ist am größeren Bereich
zwischen den Linien 20a und 18b bzw. 20b erkennbar,
dass das entstehende Schleppmoment erheblich größer ist als im Falle von 2 und 3. Der Bereich, in dem das zweite Steuerelement 12 in
seine Offenstellung gebracht wird, ist mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet
und gestrichelt ebenfalls dargestellt.
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Durch
die Variation der Steuerzeiten 21, 22, 24 und 25,
in denen das erste Steuerelement 11 bzw. das zweite Steuerelement 12 in
ihre jeweilige Geschlossen- bzw. Offenstellung gebracht werden, kann
die Höhe
des durch das beschriebene Verfahren erzeugten Schleppmoments beeinflusst
werden. Dabei ist offensichtlich, dass die Steuerelemente 11 und 12 auch
kurz vor dem jeweiligen unteren Totpunkt UT bzw. dem oberen Totpunkt
OT geöffnet
werden können,
sodass die Angaben „während des
Ausstoßtakts" bzw. „während des
Ansaugtakts" auch
solche Zeitpunkte umfassen, da die Wirkung im wesentlichen dieselbe
ist. Die Größe des zusätzlich erzeugten
Schleppmoments ist sowohl für
das Verfahren gemäß 3 als auch für dasjenige
gemäß 4 jeweils durch die Wahl
der Steuerzeiten der Steuerelemente 11 und 12 stufenlos
und sehr schnell, insbesondere von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel,
verstellbar.
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Des
weiteren sollte deutlich geworden sein, dass das Verfahren sowohl
durch den ausschließlichen
Einsatz des ersten Steuerelements 11 in dem Einlasskanal 7 als
auch durch den ausschließlichen Einsatz
des zweiten Steuerelements 12 in dem Auslasskanal 9 als
auch durch eine kombinierte Verwendung beider Steuerelemente 11 und 12 durchgeführt werden
kann.
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Das
Verfahren kann neben dem reinen Abbremsen eines Kraftfahrzeugs auch
dazu verwendet werden, einen Abstand zu einem dem mit der Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten
Kraftfahrzeug vorausfahrenden Kraftfahrzeug zu regeln, wenn das Fahrzeug
mit einem Abstandstempomat ausgestattet ist.
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Des
weiteren kann mit dem Verfahren die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 bei
einem Gangwechsel in einen höheren
Gang eines mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Getriebes
verringern werden, um eine bessere Synchronisation zwischen den
beiden Gängen
zu erreichen.