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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Beim Betrieb von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden zur Verbesserung der Gemischbildung im Brennraum eine Reihe von unterschiedlichen Maßnahmen vorgenommen, um insbesondere eine gezielte Ladungsbewegung zu generieren. Aus der
DE 60 2004 005 373 T2 ist eine Brennkraftmaschine mit variabler Ventilbetätigungsvorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe einer variablen Ventilsteuerung die angesaugte Luftmenge in den Brennraum gesteuert wird. Hierzu werden die Einlassventile unabhängig voneinander betätigt, so dass je nach Betriebspunkt beim jeweiligen Einlassventil ein bestimmter Ventilhub eingestellt wird. In der
DE 44 11 434 A1 ist ein Betriebsverfahren für fremdgezündete Brennkraftmaschinen beschrieben, mit dem bei bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine eines der beiden Einlassventile geschlossen bleibt. Darüber hinaus ist in der
DE 101 57 659 B4 eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei der zur Erzeugung einer Drall- und Tumbleströmung im Brennraum die jeweiligen Einlassventile unterschiedlich betätigt werden. Bei den bekannten Brennkraftmaschinen wird eine aufwändige Ventilsteuereinrichtung verwendet, um eine gezielte Ladungsbewegung im Brennraum zu generieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, eine Brennkraftmaschine mit mehreren Einlassventilen zu gestalten, die mit einer einfach ausgebildeten Ventilsteuereinrichtung versehen ist, durch die eine verbesserte Ladungsbewegung im Brennraum erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Ventilhub des ersten Einlassventils bei allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine beibehalten wird, wobei der Ventilhub des zweiten Einlassventils je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine variierbar ist.
Alternativ kann anstelle des Null-Hubes beim zweiten Einlassventil ein kleiner Hub eingestellt werden, der deutlich kleiner ist als der erste Ventilhub des ersten Einlassventils.
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Durch die Einstellung eines Null-Hubes bzw. eines geringen Hubes beim zweiten Einlassventil erfolgt eine unsymmetrische Frischluftansaugung über das erste Einlassventil, so dass eine gezielte Drallbewegung im Brennraum generiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird sowohl im Teillastbereich als auch in einem höheren Lastbereich, beispielsweise in einem Volllastbereich der Brennkraftmaschine, der erste Ventilhub des ersten Einlassventils beibehalten. Demnach ist für das erste Einlassventil keine Variation des Ventilhubs vorgesehen. Somit erfolgt eine Ventilbetätigung des ersten Ventils durch einen Nocken an einer Nockenwelle, mit dem ein Ventilhub bei allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Eine aufwändige Ventilsteuereinrichtung für das erste Ventil entfällt. Folglich wird im Zylinderkopf weniger Bauraum zur Unterbringung der Ventilsteuereinrichtung benötigt und das Gewicht der Ventilsteuereinrichtung reduziert. Die Betätigung des zweiten Einlassventils erfolgt mit einer variablen Ventilsteuereinrichtung, durch die mindestens zwei Ventilhübe beim zweiten Einlassventil einstellbar sind. Somit wird bei jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Drallströmung im Brennraum generiert, wobei auf eine aufwendige Ventilsteuereinrichtung für beide Einlassventile verzichtet wird. Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Durch die vorgenommene Aufladung kann sowohl im Teillastbereich als auch im Volllastbereich genügend Frischluft in den Brennraum angesaugt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Vereinfachung der Ventilsteuereinrichtung, da beim ersten Einlassventil eine Veränderung des Ventilhubs entfällt. Die Betätigung der Einlassventile bzw. des zweiten Einlassventils, kann im Sinne der vorliegenden Erfindung mittels einer variablen Ventilsteuereinrichtung, beispielsweise durch die Verwendung einer schaltbaren Tassenvorrichtung gemäß der
DE 196 06 054 C2 , bekannt als VarioCam Plus der Firma Porsche, oder alternativ gemäß der
DE 196 11 641 C1 , bekannt als Schiebenockensystem oder Valvelift. Somit kann eine Veränderung des Ventilhubes des zweiten Einlassventils mittels einer schaltbaren Tasse oder mittels eines Schiebenockens erfolgen. Beim ersten Einlassventil wird keine Variierung des Ventilhubs vorgenommen, so dass die verwendete variable Ventilsteuereinrichtung weniger Bauraum benötigt und leichter ausgebildet sein kann als sonst üblich.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Steuerzeiten von beiden Einlassventilen derart gewählt, dass beim Übergang vom Teillastbereich zu einem höheren Lastbereich oder umgekehrt eine Zylinderfüllung während mehrere Arbeitsspiele bzw. Verbrennungszyklen vor und nach dem Umschalten vom Teillastbereich zum höheren Lastbereich oder umgekehrt nahezu unverändert bleibt. Vorzugsweise erfolgt hierzu eine entsprechende Veränderung der Steuerzeiten von beiden Einlassventilen. Bei hohen Drehzahl- und Lastbereichen wird eine Aktivierung des zweiten Einlassventils vorgenommen, die zu einer erhöhten Luftansaugung in den Brennraum führt. Erfindungsgemäß wird eine derartige Dimensionierung und Positionierung der jeweiligen Ventilhubkurve des jeweiligen Einlassventils gewählt, dass bei einem Schaltvorgang ein Drehmomentsprung ohne Verbrauchsnachteile verhindert wird. Beispielsweise wird die Ventilhubkurve des zweiten Einlassventils so dimensioniert und positioniert, dass das zweite Einlassventil später als das erste Einlassventil geschlossen wird und dass bei entsprechender Veränderung der Steuerzeiten, zumindest während einer bestimmten Anzahl von Arbeitszyklen, ein Teil der Zylinderfrischladung wieder in den jeweiligen Einlasskanal zurückgeschoben werden kann.
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Die vorgenommene Steuerzeitveränderung während bzw. vor und nach einem Schaltvorgang, die mehrere Arbeitszyklen andauern kann, führt trotz einer erhöhten Luftansaugung zur Beibehaltung einer gleichmäßigen Zylinderfüllung. Zusätzlich kann auch die Kraftstoffeinspritzung angepasst werden. Durch die Beibehaltung der nahezu gleichen Zylinderfüllung wird ein spürbarer Drehmomentsprung der Brennkraftmaschine während des Überganges zwischen zwei unterschiedlichen Betriebspunkten verhindert.
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Eine Veränderung der Steuerzeiten erfolgt beispielsweise durch eine Verbindung der Einlassnockenwelle mit einem hydraulischen oder elektrischen Nockenwellenversteller, mit dem eine stetige Verstellung des Öffnungs- und Schließzeitpunkts der Einlassventile bewirkt wird. Zusätzlich können die Steuerzeiten der Auslassventile ebenfalls durch eine Verbindung der Auslassnockenwelle mit einem hydraulischen oder elektrischen Nockenwellenversteller verändert und angepasst werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Ventilhub des ersten Ventils kleiner als der zweite Ventilhub des zweiten Einlassventils. Somit erfolgt eine Drallgenerierung im Brennraum bei allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt ein Öffnungszeitpunkt des ersten Einlassventils vor dem Öffnungszeitpunkt des zweiten Einlassventils, wobei vorzugsweise ein Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils vor dem Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils liegt. Hierdurch wird eine zeitversetzte Luftansaugung durch die beiden Einlassventile erreicht. Insbesondere führt die nach Beendigung der Ansaugphase des ersten Einlassventils noch andauernde Ansaugphase des zweiten Einlassventils zur Bildung einer gezielten Drallströmung im Brennraum. Vorzugsweise liegt der Öffnungszeitpunkt des ersten Einlassventils vor einem oberen Ladungswechseltotpunkt und der Schließzeitpunkt des ersten Einlassventils vor einem unteren Ladungswechseltotpunkt. Hierdurch kommt eine vorteilhafte Luftansaugung im Teillastbereich der Brennkraftmaschine zustande. Vorzugsweise liegt der Öffnungszeitpunkt des zweiten Einlassventils vor dem oberen Ladungswechseltotpunkt, wobei der Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils nach dem unteren Ladungswechseltotpunkt liegt. Hierdurch wird ein Zurückschieben von einem Teil der angesaugten Luftmenge wieder in den Einlasskanal ermöglicht. Durch eine gezielte Einstellung von entsprechenden Steuerzeiten wird eine Veränderung der Zylinderfüllung herbeigeführt, so dass bei einem Umschalten vom Teillastbereich in einen höheren Lastbereich oder umgekehrt ein Drehmomentsprung verhindert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kraftstoffeinspritzung mittels eines im Brennraum positionierten Einspritzventils und/oder mittels eines in einem Einlasskanal positionierten Einspritzventils. Hierdurch kann ein kombinierte Kraftstoffeinspritzung vorgenommen werden, die auf jeweiligen Betriebspunkte und vorliegenden Ladungsbewegungsverhältnisse im Brennraum abgestimmt ist. So kann beispielsweise ein Teil des Kraftstoffes in den Einlasskanal und die restlichen Anteile direkt in den Brennraum eingespritzt werden. Folglich wird die Gemischbildung im Brennraum, insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine, optimiert.
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Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Zylinders der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
- 2 ein schematisches Diagramm mit den jeweiligen Ventilhubkurven der Einlass- und Auslassventile in einem Teillastbereich der Brennkraftmaschine aus 1, und
- 3 ein schematisches Diagramm mit den jeweiligen Ventilhubkurven der Einlass- und Auslassventile in einem Betriebspunkt mit einer hohen Drehzahl und/oder einer hohen Motorlast der Brennkraftmaschine aus 1.
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In 1 ist ein Zylinder 1 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, in dem ein Brennraum 2 zwischen einem im Zylinder 1 längsverschieblich gehaltenen, nicht dargestellten Kolben und einem nicht dargestellten Zylinderkopf gebildet ist. Die Längsbewegung des Kolbens erstreckt sich im Zylinder 1 zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt. Bei der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Brennkraftmaschine erfolgt die Luftansaugung über zwei getrennt ausgebildete, nicht dargestellte, Einlasskanäle. Im Brennraum 2 sind ein erstes Einlassventil 3 und ein zweites Einlassventil 4 vorgesehen, mit denen die Einlasskanäle zum Brennraum 2 hin geöffnet bzw. verschlossen werden. Darüber hinaus sind zwei Auslassventile 13 vorgesehen, über die die Abgase aus dem Brennraum 2 über nicht dargestellte Auslasskanäle hin zur einer Abgasanlage abgeführt werden. Weiterhin ist im Brennraum 2 ein nicht dargestelltes Einspritzventil vorgesehen, mit dem Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, wobei alternativ eine Saugrohrkraftstoffeinspritzung denkbar ist.
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Vorzugsweise erfolgt die Kraftstoffeinspritzung sowohl mittels eines im Brennraum 2 positionierten Einspritzventils als auch mittels eines im Einlasskanal positionierten Einspritzventils. Hierdurch wird ein kombinierte Kraftstoffeinspritzung vorgenommen, die auf jeweiligen Betriebspunkte und vorliegenden Ladungsbewegungsverhältnisse im Brennraum 2 abgestimmt ist. So kann beispielsweise ein Teil des Kraftstoffes im Einlasskanal und die restlichen Anteile direkt in den Brennraum 2 eingespritzt werden. Hierdurch lässt sich eine optimierte Gemischbildung im Brennraum 2, insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine, erzielen.
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Zur Betätigung der Einlassventile 3 und 4 ist eine nicht dargestellte Nockenwelle vorgesehen, die mit einem Nockenwellensteller verbunden ist. Hierdurch können die Steuerzeiten der Einlassventile 3 und 4 variiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Betätigung des ersten Einlassventils 3 ein Nocken vorgesehen, mit dem ein erster Ventilhub 5 des ersten Einlassventils 3 eingestellt wird. Für das zweite Einlassventil 4 sind an der Nockenwelle mindestens zwei Nocken zur Einstellung eines Null-Hubes sowie zur Einstellung eines zweiten Ventilhubs 6 vorgesehen. Zur Variierung des eingestellten Hubes beim zweiten Einlassventil 4 ist zwischen der Nockenwelle und dem zweiten Einlassventil 4 eine schaltbare Tasse gemäß der Vorrichtung aus der
DE 196 06 054 C2 vorgesehen. Alternativ kann zur Variierung des eingestellten Hubes beim zweiten Einlassventil 4 eine verschiebbare Nockeneinrichtung gemäß der
DE 196 11 641 C1 vorgesehen sein. Hierdurch liegt jeweils eine Betätigungseinrichtung für das zweite Einlassventil 4 vor, mit der die Einstellung von mehreren bzw. unterschiedlichen Ventilhüben und Hubkurven beim zweiten Einlassventil 4 ermöglicht wird.
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Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Vier-Takt-Prinzip. In einem ersten Ansaugtakt wird gemäß 2 und 3 durch Öffnen des ersten bzw. des zweiten Einlassventils dem Brennraum 2 Verbrennungsluft zugeführt, wobei sich der Kolben in einer Abwärtsbewegung von einem oberen Ladungswechseltotpunkt GOT bis zu einem unteren Ladungswechseltotpunkt GUT bewegt. Im nachfolgenden Kompressionstakt bewegt sich der Kolben in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Ladungswechseltotpunkt GUT bis zu einem oberen Zünd-Totpunkt. Kurz vor dem oberen Zünd-Totpunkt wird ein im Brennraum 2 gebildetes Kraftstoffluftgemisch gezündet.
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Vorzugsweise wird der Kraftstoff mittels des im Brennraum und/oder des im Einlasskanal angeordneten Einspritzventils während des Ansaugtaktes und/oder während des Kompressionstaktes eingespritzt. In einem Expansionstakt bewegt sich der Kolben nach dem Zündzeitpunkt in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren Totpunkt UT, wobei sich der Kolben in einem Ausschiebetakt in einer Aufwärtsbewegung bis zum oberen Ladungswechseltotpunkt GOT bewegt und dabei bei geöffneten Auslassventilen 13 die gebildeten Abgase aus dem Brennraum 2 ausschiebt.
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In einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, d.h., bei niedriger Drehzahl und/oder bei geringer Last, erfolgt die Luftansaugung über das erste Einlassventil 3. Im Teillastbereich wird das zweite Einlassventil 4 deaktiviert, indem beim zweiten Einlassventil 4 ein Null-Hub durch die variable Ventilsteuereinrichtung eingestellt wird. Hier wird das zweite Einlassventil mit einem ersten Nocken zur Einstellung eines Null-Hubes betätigt. Beim ersten Einlassventil 3 wird der erste Ventilhub 5 eingestellt. Das resultiert in eine unsymmetrische Einströmung der Verbrennungsluft in den Brennraum, so dass hierdurch eine Drallströmung im Brennraum 2 generiert wird. Erfindungsgemäß ist der Nocken für das erste Einlassventil 3 derart ausgebildet, dass eine Ventilhubkurve 15 gemäß 2 gebildet wird. Folglich kommt ein Öffnungszeitpunkt 7 des ersten Einlassventils 3 vor dem oberen Ladungswechseltotpunkt GOT zustande. Ein Schließzeitpunkt 9 des ersten Einlassventils 3 liegt erfindungsgemäß vor dem unteren Ladungswechseltotpunkt GUT. Die Einlassventile 3 und 4 weisen einen Durchmesser 11 auf, der größer als ein Durchmesser 12 der Auslassventile 13 ist. Vorzugsweise ist für die Auslassventile 13 jeweils ein Nocken an einer Auslassnockenwelle vorgesehen, mit dem beim jeweiligen Auslassventil 13 eine Ventilhubkurve 17 mit einem Ventilhub 14 eingestellt wird.
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Bei einer Umschaltung vom Teillastbereich der Brennkraftmaschine zu einem Bereich mit höherer Drehzahl und/oder höher Motorlast wird erfindungsgemäß eine Aktivierung des zweiten Einlassventils 4 vorgenommen, indem die Betätigung des zweiten Einlassventils 4 mit einem zweiten Nocken erfolgt. Ein zweiter Ventilhub 6 des zweiten Einlassventils 4 kommt zustande. Erfindungsgemäß ist der zweite Nocken für das zweite Einlassventil 4 derart ausgebildet, dass eine Ventilhubkurve 16 gemäß 3 erfolgt. Der Ventilhub 6 des zweiten Einlassventils ist größer ausgebildet als der erste Ventilhub 5 des ersten Einlassventils 3. Der zweite Nocken des zweiten Einlassventils 4 ist an der Nockenwelle so positioniert, dass gemäß 3 ein Öffnungszeitpunkt 8 des zweiten Einlassventils 4 vor dem oberen Ladungswechseltotpunkt GOT und nach dem Öffnungszeitpunkt des ersten Einlassventils 3 zustande kommt. Hierdurch wird ein Mindestabstand zwischen den Einlassventilen im geöffneten Zustand und dem Kolben beibehalten, wenn sich der Kolben um den oberen Totpunkt nahe einem Brennraumdach befindet. Dabei liegt der Schließzeitpunkt 10 des zweiten Einlassventils 4 nach dem unteren Ladungswechseltotpunkt GUT. Die nach Beendigung der Ansaugphase des ersten Einlassventils 3 noch andauernde Ansaugphase des zweiten Einlassventils 4 führt zur Bildung einer unsymmetrischen Einströmung der Verbrennungsluft in den Brennraum 2 und somit zur Generierung einer gezielten Drallströmung im Brennraum 2.
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Die Brennkraftmaschine wird derart betrieben, dass beim Übergang vom Teillastbereich zum höheren Lastbereich eine Veränderung der Steuerzeiten, beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen oder hydraulischen Nockenwellenverstellers vorgenommen wird. Hierzu ist zumindest die Einlass-Nockenwelle mit dem Nockenwellenversteller verbunden, mit dem eine kontinuierliche Änderung der Steuerzeiten und somit eine beliebige Variierung des Schließzeitpunkts des jeweiligen Einlassventils bewirkt werden kann. Eine Verschiebung des Schließzeitpunkts des zweiten Einlassventils 4 wird dahingehend bewerkstelligt, dass ein späterer Schließzeitpunkt nach dem unteren Ladungswechseltotpunkt GOT zustande kommt. Somit bleibt das zweite Einlassventil 4 offen über eine längere Dauer als üblich während des Kompressionstaktes. Folglich kann ein Teil der angesaugten Frischluftmenge wieder in den Einlasskanal zurückgeschoben werden, so dass beim Umschalten vom Teillastbereich zum höheren Lastbereich die Zylinderfüllung im Brennraum nahezu unverändert bleibt und beliebig angepasst werden kann. Diese Steuerzeitveränderung kann vor und nach dem Umschalten mehrere Verbrennungszyklen andauern. Zusätzlich kann währenddessen auch eine gezielte Dosierung der Kraftstoffeinspritzung und/oder eine Verstellung des Zündzeitpunktes vorgenommen werden, mit der der bei diesen Zyklen zustande gekommene Drehmoment langsam und stetig ansteigt bzw. abnimmt. Somit wird ein spürbarer Drehmomentsprung während des Übergangs vom Teillastbereich zum höheren Lastbereich verhindert.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine unsymmetrische Einströmung der Verbrennungsluft in den Brennraum bei allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine erzielt, so dass eine gezielte Drallströmung im Brennraum generiert wird. Folglich wird die Gemischbildung unterstützt, so dass der Verbrennungsprozess beschleunigt bzw. stabilisiert wird. Die Deaktivierung des zweiten Einlassventils 4 kann durch eine Umschaltung auf eine Nullhub-Nockenkontur erfolgen, die mit einem Grundkreis der Einlass-Nockenwelle identisch ist. Alternativ kann anstelle der Nullhub-Nockenkontur ein sehr kleiner Ventilhub durch einen kleinen Nocken gebildet werden, der deutlich kleiner als der erste Ventilhub 5 des ersten Einlassventils 3 ist. Bei einer höheren Lastanforderung der Brennkraftmaschine wird beim zweiten Einlassventil 4 die Ventilhubkurve 16 durch die Umschaltung auf den großen Nocken bewirkt. Wird das zweite Einlassventil 4 durch eine entsprechende Schalttasse auf das größere Nockenprofil geschaltet, wobei beim ersten Einlassventil 3 der erste Ventilhub 5 beibehalten wird, stellt sich wieder eine Drallströmung im Brennraum ein, in dem nach Schließen des ersten Ventils 3 die Frischluft tangential in den Brennraum über das zweite Einlassventil 4 in den Brennraum 2 hineinströmt. Eine Erhöhung der Zylinderfüllung kommt zustande, indem der Schließzeitpunkt des zweiten Einlassventils 4 im Bereich des unteren Ladungswechseltotpunkts GOT liegt. Während des Umschaltens wird ein resultierender Momentensprung dadurch verhindert, dass die Steuerzeiten mit Hilfe des Nockenwellenverstellers derart variiert werden, dass ein Teil der Zylinderfrischladung wieder in den Einlasskanal zurückgeschoben wird. Durch die Abstimmung der Nockenkonturen und die Steuerzeiten der beiden Einlassventile 3 und 4 kann in Verbindung mit einer gezielten Steuergerätprogrammierung der Schaltvorgang ohne Komfort- und Verbrauchseinbußen ausgeführt werden.