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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum pneumatischen Antreiben eines Turboladerrotors in einer Auswuchtmaschine, bei welchem die Antriebsleistung eines pneumatischen Antriebs mittels eines dem pneumatischen Antrieb vorgeschalteten Druckregelventil einstellbar ist und die Drehzahl des Turboladerrotors von einem Drehzahlgeber erfasst und als Drehzahlsignal einer Steuereinrichtung übermittelt wird nach Patent 10 2012 102 160.
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Bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent wird zum pneumatischen Antreiben eines Turboladerrotors in einer Auswuchtmaschine mittels einer speicherprogrammierbaren Steuereinrichtung mit einem einstellbaren internen Regler die Antriebsleistung eines pneumatischen Antriebs in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turboladerrotors geregelt, wobei die Drehzahl des Turboladerrotors von einem Drehzahlgeber erfasst und als Drehzahlsignal dem Regler als Istwert übermittelt wird und wobei für die Regelung erforderliche Parameter durch einen Einstelllauf mit Schritten a bis e empirisch ermittelt werden. Der Einstelllauf umfasst einen weiteren Schritt f umfasst, bei welchem der mit Solldrehzahl angetriebene Turboladerrotor abgebremst wird, die optimale Bremszeit für das Abbremsen bis zum Stillstand errechnet und als zugriffsbereiter Parameter für die Steuerung künftiger Messläufe des Turboladerrotors und von Turboladerrotoren des diesem entsprechenden Typs gespeichert wird, um die Zufuhr von Bremsluft entsprechend einstellen zu können. Durch das Verfahren wird das Bremsen des Turboladerrotors mit Hilfe eines zeitgesteuerten Zweistellungs-Bremsventils und einem diesem nachgeschalteten Drosselrückschlagventil ermöglicht. Hierbei ist eine Anpassung der Einstellung des Drosselrückschlagventils an verschiedene Typen von Turboladerrotoren durch einen erfahrenen Einrichter erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Auswuchtdrehzahl eines pneumatisch angetriebenen Turboladerrotors anzugeben, welches eine automatische Einstellung der Bremsleistung und damit der Bremszeit eines auf Solldrehzahl angetriebenen Turboladerrotors ohne Bedieneingriffe ermöglicht.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann die Bremsleistung der Bremsdüse mit Hilfe eines proportionalen Druckregelventils durch die Steuereinrichtung nach einer vorgegebenen oder empirisch für einen Typ eines Turboladerrotors ermittelten Bremsstellgröße gesteuert werden. Hierbei kann der Einstelllauf einen Schritt umfassen, bei welchem der mit Solldrehzahl angetriebene Turboladerrotor mit einer durch eine programmierte interne Bremsstellgröße vorgegebenen Bremsleistung bis zum Stillstand abgebremst wird, die benötigte Bremszeit gemessen, mit einer Nennbremszeit verglichen und eine typspezifische Bremsstellgröße errechnet wird.
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Nach einem weitern Vorschlag der Erfindung kann sich an den vorgenannten Schritt ein weiterer Schritt anschließen, bei welchem der mit Solldrehzahl angetriebene Turboladerrotor mit einer durch die errechnete typspezifische Bremsstellgröße vorgegebenen Bremsleistung bis zum Stillstand abgebremst wird, die benötigte Bremszeit gemessen, mit der Nennbremszeit verglichen, bei Abweichung die typspezifische Bremsstellgröße durch Nachberechnung korrigiert und als zugriffsbereiter Parameter zur Steuerung künftiger Messläufe des dem Einstelllauf unterworfenen Turboladerrotors und weiterer Turboladerrotoren des diesem entsprechenden Typs gespeichert wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise als Regelalgorithmus programmiert, der in einem der speicherprogrammierbaren Steuereinrichtung zugeordneten Datenspeicher zugriffsbereit abgelegt wird, so dass das Verfahren nach Aktivierung der speicherprogrammierbaren Steuereinrichtung von dieser automatisch durchführbar ist.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zum pneumatischen Antreiben eines Turboladerrotors in einer Auswuchtmaschine umfasst nach der Erfindung einen pneumatische Antrieb mit wenigstens einer an eine Druckluftleitung anschließbaren Antriebsdüse zur Erzeugung eines Treibluftstroms, der auf ein Turbinenrad des Turboladerrotors geleitet wird, wobei die Strömungsleistung des Treibluftstroms mittels eines der wenigstens einen Antriebsdüse vorgeschalteten und von einer speicherprogrammierbaren Steuereinrichtung gesteuerten Proportional-Druckregelventils in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turboladerrotors geregelt werden kann, und wobei in einem der speicherprogrammierbaren Steuereinrichtung zugeordneten Datenspeicher ein Regelalgorithmus zugriffsbereit gespeichert ist, welcher die Steuereinrichtung nach ihrer Aktivierung befähigt, das Verfahren nach der Erfindung automatisch zu steuern. Die Vorrichtung weist weiterhin eine von der speicherprogrammierbaren Steuereinrichtung steuerbare, pneumatische Bremseinrichtung mit einer an eine Druckluftleitung anschließbaren Bremsdüse zur Erzeugung eines Bremsluftstroms auf, der der Drehrichtung des Turboladerrotors entgegen gerichtet auf das Turbinenrad des Turboladerrotors geleitet wird, wobei die Bremsleistung der pneumatischen Bremseinrichtung mit Hilfe eines proportionalen Druckregelventils durch die Steuereinrichtung nach einer vorgegebenen oder empirisch für den Typ eines Turboladerrotors ermittelten Bremsstellgröße gesteuert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt einen Schaltplan einer pneumatischen Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Turboladerrotors in einer Auswuchtmaschine.
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In der Zeichnung ist ein Turboladerrotor 1 schematisch mit vertikaler Drehachse und ohne die Mittel zu seiner drehbaren Lagerung dargestellt. Das Turbinenrad des Turboladerrotors 1 befindet sich zwischen einer Antriebsdüse 2 und einer dieser gegenüber liegenden Bremsdüse 3. Die Antriebsdüse 2 ist so angeordnet, dass ein von ihr erzeugter Luftstrahl den Turboladerrotor 1 in seiner normalen Drehrichtung antreibt. Die Bremsdüse 3 ist dagegen so angeordnet, dass ein von ihr erzeugter Luftstrahl entgegen der normalen Drehrichtung und damit bremsend auf den Turboladerrotor 1 einwirkt.
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Die Antriebsdüse 2 ist über ein Wechselventil 4 mit ODER-Funktion an zwei parallele Leitungszweige 5, 6 angeschlossen. Der Leitungszweig 5 führt zu einem Schnellhochlaufventil 7, das von einem elektromagnetisch schaltbaren Wegeventil mit Vorsteuerung gebildet ist. In dem Leitungszweig 5 befindet sich ein einstellbares Drosselrückschlagventil 8, dessen Rückschlagventil in Richtung des Schnellhochlaufventils 7 öffnet. Das Drosselrückschlagventil 8 dient zur Einstellung der Strömungsleistung für die schnelle Hochlauffunktion.
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Der Leistungszweig 6 führt von dem Wechselventil 4 über ein einstellbares Drosselrückschlagventil 9 und ein pneumatisch betätigbares Mehrwegeventil 30 zu einem elektromagnetisch proportional steuerbaren Druckregelventil 10, das zur Regelung der Antriebsdrehzahl des Turboladerrotors 1 dient. Der Eingang des Druckregelventils 10 ist an ein Normallaufventil 12 angeschlossen ist, das von einem elektromagnetisch schaltbaren Wegeventil mit Vorsteuerung gebildet ist. Das Drosselrückschlagventil 9 drosselt den Druckmittelstrom in Richtung der Antriebsdüse 2 und sein Rückschlagventil öffnet in der Gegenrichtung.
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Zwischen dem Drosselrückschlagventil 9 und dem Mehrwegeventil 30 zweigt von dem Leitungszweig 6 ein Leitungszweig 14 ab, der über ein einstellbares Drosselrückschlagventil 15 zu einem Wechselventil 16 führt, dessen Ausgang an die Bremsdüse 3 angeschlossen ist. Das Drosselrückschlagventil 15 drosselt den Druckmittelstrom in Richtung des Wechselventils 16 und öffnet ohne Drosselwirkung in der Gegenrichtung. Der andere Eingang des Wechselventils 16 ist über einen Leitungszweig 17 mit einem Ausgang des Mehrwegeventils 30 verbunden. Das Mehrwegeventil 30 ist über eine Steuerleitung 31 an das Bremsventil 19 angeschlossen und durch dieses steuerbar. Das Bremsventil 19 ist von einem elektromagnetisch betätigbaren Wegeventil mit Vorsteuerung gebildet. Alternativ könnte das Mehrwegeventil 30 auch mit einer elektromechanischen Betätigungseinrichtung versehen und direkt durch die Steuereinrichtung 24 steuerbar sein.
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Das Mehrwegeventil 30 hat drei Eingänge und zwei Ausgänge. Der mittlere Eingang ist an das Druckregelventil 10 und die beiden äußeren Eingänge sind jeweils über einen Schalldämpfer 22 mit der Atmosphäre verbunden. An den einen Ausgang des Mehrwegeventils 30 ist der Leitungszweig 6 und an den anderen Ausgang ist der Leitungszweig 17 angeschlossen, der zu dem Wechselventil 16 führt.
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Das Schnellhochlaufventil 7, das Normallaufventil 12 und das Bremsventil 19 sind vorlaufseitig über ein Einschaltventil 20 an eine Druckluftquelle 21 angeschlossen und stehen rücklaufseitig über Schalldämpfer 22 mit der Atmosphäre in Verbindung. Die Steuerung des Schnellhochlaufventils 7, des Normallaufventils 12 und des Bremsventils 19 erfolgt über eine elektrische speicherprogrammierbare Steuereinrichtung 24, die an die Betätigungsmagnete der genannten Ventile angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 24 enthält einen internen Regler 25, an welchen der elektrische Stellantrieb des Druckregelventils 10 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 24 ist außerdem mit einem Drehzahlgeber 26 verbunden, der ein der Drehzahl des Turboladers 1 proportionales Signal einem schnellen Zählereingang der Steuereinrichtung 24 zuführt und dort zu einer Istdrehzahl verrechnet wird. Die Solldrehzahl kann an einer Eingabevorrichtung 27 eingegeben werden. In einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Datenspeicher 28 können eingegebene und empirisch ermittelte Parameter und Programme gespeichert und bereitgestellt werden.
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Für einen normalen Hochlauf des Turboladers 1 wird das Normallaufventil 12 geschaltet und dadurch der Leitungszweig 6 mit der Druckluftquelle 21 verbunden. Das Druckregelventil 10 wird von dem Regler 25 der Steuereinrichtung 24 nach zuvor ermittelten und gespeicherten Parametern für den anzutreibenden Turboladerrotor 1 in die optimale Offenstellung gefahren und die Druckluft wird mit dem durch das Druckregelventil 10 geregelten Druck über das Drosselrückschlagventil 9 und das Wechselventil 4 zur Antriebsdüse 2 und außerdem über das Drosselrückschlagventil 15 und das Wechselventil 16 zur Bremsdüse 3 geleitet. Die Drosselrückschlagventile 9, 15 sind dabei so eingestellt, dass die Antriebsleistung der Antriebsdüse 2 die Bremsleistung der Bremsdüse 3 erheblich übersteigt, so dass der Turboladerrotor 1 kontinuierlich bis zur vorgegebenen Solldrehzahl beschleunigt wird. Bei Erreichen der Solldrehzahl wird das Druckregelventil 10 von dem Regler 25 so gesteuert, dass die Antriebsleistung von Antriebsdüse 2 und Bremsdüse 3 in engen Grenzen konstant bleibt.
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In der einen zum Antreiben des Turboladerrotors 1 bestimmten Stellung schließt das Mehrwegeventil 30 den Leitungszweig 6 und verbindet den Leitungszweig 17 mit der Atmosphäre. Zum Stillsetzen des Turboladerrotors 1 wird das Bremsventil 19 in die Offenstellung und das Mehrwegeventil 30 durch das Bremsventil 19 in die andere zum Bremsen des Turboladerrotors 1 bestimmte Stellung geschaltet, in der das Mehrwegeventil 30 den Leitungszweig 17 mit dem Druckregelventil 10 und den an den Leitungszweig 6 angeschlossenen Ausgang mit der Atmosphäre verbindet. Die Bremsdüse 3 wird über das Wechselventil 16 und das Mehrwegeventil 30 an das Druckregelventil angeschlossen, wodurch die nun allein wirksame Bremsdüse 3 den Turboladerrotor 1 mit dem vom Druckregelventil 10 eingestellten Druck bremst. Auf diese Weise kann beim Bremsen der Druck der der Bremsdüse 3 zugeführten Druckluft und damit die Bremsleistung mittels der Steuereinrichtung 24 über das Druckregelventil 10 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 24 benötigt hierzu eine Bremsstellgröße, die dem Datenspeicher entnehmbar ist und die dem Druckregelventil 10 zur Steuerung des Bremsdrucks zugewiesen wird.
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Ist für einen Typ von Turboladerrotor keine diesem Typ zugeordnete Bremsstellgröße im Speicher vorhanden, so verwendet die speicherprogrammierbare Steuereinrichtung, beispielsweise bei einem Einstelllauf zur empirischen Ermittlung von Regelparametern, eine programmierte interne Bremsstellgröße von z.B. 50 %, was beispielsweise einem Druck der Druckluft an der Bremsdüse 3 von 3 Bar entspricht. Eine typbezogene Bremsstellgröße muss dann durch einen Einstelllauf, wie nachfolgend beschrieben, empirisch ermittelt werden.
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Die verschiedenen Regelparameter für den beschriebenen pneumatischen Antrieb sind von der Gestalt, der Größe und dem axialen Trägheitsmoment des jeweils auszuwuchtenden Turboladerrotors abhängig. Die erforderlichen Parameter müssen daher für jeden Turboladerrotortyp ermittelt werden, damit ein Messlauf mit geregelter Antriebsdrehzahl möglich ist. Nach dem Hauptpatent werden die erforderlichen Parameter mit Hilfe eines Einstelllaufs ermittelt, der von der hierfür programmierten Steuereinrichtung des pneumatischen Antriebs gesteuert automatisch durchgeführt werden kann. Für einen solchen Einstelllauf verwendet die speicherprogrammierbare Steuereinrichtung nach der Erfindung, wenn vorhanden, eine gespeicherte typspezifische Bremsstellgröße, andernfalls die interne Bremsstellgröße. Muss während des Einstelllaufs der Turboladerrotor 1 gebremst werden, so schaltet die Steuereinrichtung das Mehrwegeventil 30 in die Bremsstellung und weist dem Druckregelventil 10 die typbezogene oder interne Bremsstellgröße zu. Das Normallaufventil 12 bleibt auf Antrieb geschaltet. Sobald der Drehzahlsensor 26 feststellt, dass der Turboladerrotor steht, wird, z.B. nach Änderung der Verstärkung Kp des Reglers 25, das Mehrwegeventil 30 zurückgeschaltet und dem Druckregelventil 10 die von dem Regler erzeugte Stellgröße zugewiesen, wodurch der Turboladerrotor wieder angetrieben wird. Wie im nach folgend beschriebenen Beispiel eines Einstelllaufs angegeben, kann der Ablauf wiederholt werden, bis die gesuchten Regelparameter, wie die Verstärkung Kp des Reglers 25 und der Zusatzsollwert zum eingestellten Sollwert, ermittelt und typbezogen gespeichert sind.
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Ein Einstelllauf wird nach Eingabe des Sollwerts für die Auswuchtdrehzahl des anzutreibenden Turboladerrotors von einer Bedienungsperson gestartet und läuft dann automatisch wie folgt ab:
Die Steuereinrichtung 24 stellt ihren internen Regler 25 anfangs auf reines proportionales Verhalten (P-Verhalten) ein und wählt zunächst einen sehr hohen Verstärkungsfaktor (Proportionalbeiwert) Kp. Die Steuereinrichtung 24 setzt außerdem die interne Bremsstellgröße auf 50%, entsprechend einem Bremsdruck von 3 Bar. Die Steuereinrichtung 24 startet mit dieser Einstellung und Aufschalten der Auswuchtdrehzahl als Sollwert auf den Regler 25 einen ersten Probelauf durch Ansteuerung des Normallaufventils 12. Falls bei dem Probelauf die gemessene Istdrehzahl des Turboladerrotors 1 während der Beschleunigungsphase weit über den Sollwert hinausgeht, wird der Antrieb durch Ansteuern des Bremsventils 19 und Umschalten des Mehrwegeventils 30 mit Hilfe der Bremsdüse 3 mit durch Zuweisen der internen Bremsstellgröße zum Druckregelventil 10 eingestellter Bremsleistung gestoppt. Sodann wird der Verstärkungsfaktor Kp halbiert und der Antrieb erneut gestartet. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis der gemessene Drehzahl-Istwert nicht mehr über den Sollwert hinausgeht. Der Antrieb bleibt weiter eingeschaltet und die von dem Regler 25 geregelte Istdrehzahl des angetriebenen Turboladerrotors wird nun in der Regel unter der Solldrehzahl liegen. Die entsprechend programmierte Steuereinrichtung generiert dann einen Zusatzsollwert und schaltet diesen additiv auf den eingegebenen Sollwert auf. Dieser Zusatzsollwert wird von Null ausgehend so lange inkrementiert oder dekrementiert, bis der Drehzahl-Istwert den eingegebenen Sollwert erreicht hat. Die zuvor ermittelte Reglerverstärkung Kp und der endgültige Zusatzsollwert werden in dem Datenspeicher 28 in Verbindung mit dem Typ des angetriebenen Turboladerrotors gespeichert und für alle künftigen Messläufe der Steuereinrichtung 24 bereitgestellt.
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Nach Ermittlung der Regelparameter oder unabhängig davon, kann auf folgende vorteilhafte Weise die optimale Bremsstellgröße zum Bremsen des Turboladerrotors 1 ermittelt werden. Der Turboladerrotor 1 wird mit geregelter Solldrehzahl angetrieben und durch Ansteuerung des Bremsventils 19 und Schalten des Mehrwegeventils 30 in die Bremsstellung gebremst, wobei dem Druckregelventil 10 die interne Bremsstellgröße von 50 % zugewiesen wird. Sobald der Antrieb gestoppt ist, wird das Bremsventil 19 und das Mehrwegeventil 30 in die Antriebsstellung zurückgeschaltet und das Druckregelventil 10 mit zugewiesener Stellgröße 0 % geschlossen. Zugleich wird die sich bei 50 % Bremsdruck ergebene Bremszeit, welche die Dauer des Bremsvorgangs bis zum Stillstand des Turboladerrotors angibt, gemessen und mit einer Nennbremszeit von beispielsweise 1,5 s ins Verhältnis gesetzt. Mit dem errechneten Faktor wird die interne Bremsstellgröße multipliziert. Ergibt das Ergebnis eine Bremsstellgröße von mehr als 100 %, so wird als Bremsstellgröße 100 % bzw. der dieser entsprechende Druck von beispielsweise 6 Bar im Datenspeicher 28 zu den Daten des Turboladerrotortyps abgelegt. In allen anderen Fällen wird der errechnete Prozentwert der Bremsstellgröße typbezogen gespeichert. Hier ein Beispiel: Beträgt die gemessene Bremszeit 2 s und die Nennbremszeit 1,5 s, so ergibt das Verhältnis 2 s / 1,5 s einen Faktor von 1,33. Die berechnete Bremsstellgröße beträgt dann 1,33 × 50 % = 66,66 %.
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Zum Prüfen und zur genaueren Anpassung der Bremsstellgröße wird in einem weiteren Lauf der Turboladerrotor 1 erneut auf Wuchtdrehzahl beschleunigt und mit der dem Druckregelventil 10 zugewiesenen errechneten Bremsstellgröße abgebremst und die Bremszeit gemessen. Mit der gemessenen Bremszeit wird die Bremsstellgröße in der gleichen Weise nachberechnet und das Ergebnis der Nachberechnung typbezogen gespeichert und für alle weiteren Messläufe des gleichen Typs der Steuereinrichtung 24 bereitgestellt.
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Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung und Optimierung von Regel- und Steuerungsparametern für einen pneumatischen Antrieb eines Turboladerrotors ist weitgehend automatisch durchführbar und stellt keine hohen Anforderungen an die Bedienungsperson der Maschine. Das Verfahren arbeitet schnell und führt zu zuverlässigen Messläufen. Für Standard-Regelstrecken bekannte Optimierungs- und Einstellverfahren haben sich als nicht erfolgreich erwiesen, weil bei der Gestaltung des Antriebs der Regler nur in einem Quadranten eingreift. Das Verfahren ist einfach, weil außer der Eingabe der Solldrehzahl keine weiteren Parametervorgaben nötig sind, sondern automatisch empirisch ermittelt werden. Das Verfahren liefert gute Regelparameter, die schnell zu dem gewünschten Führungsverhalten mit minimaler Drehzahlabweichung führen.
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Die Anordnung zur Steuerung des Bremsvorgangs und das beschriebenen Verfahren und haben den Vorteil, dass eine manuelle Einstellung einer verstellbaren Drossel zur Steuerung der Luftzufuhr zur Bremsdüse entbehrlich ist. Das Spektrum verschiedener Rotortypen, die in derselben Auswuchtmaschine gemessen und ausgewuchtet werden, ist verhältnismäßig groß und nicht alle hiervon umfassten Rotortypen können mit einer mittleren Einstellung einer Drosseleinrichtung für die Bremsluft zufriedenstellend gebremst werden. Bei großen Massenträgheitsmomenten sind die Bremszeiten zu lang und führen zu einer Verlängerung der Taktzeit. Bei kleinen Massenträgheitsmomenten können sich zu kurze Bremszeiten ergeben, die zu fehlerhaftem Abschalten des Bremsdrucks führen können. Durch die Steuerung des Bremsdrucks mit Hilfe des proportionalen Druckregelventils kann der Bremsdruck an die verschiedenen Typen von Turboladerrotoren angepasst werden und für die verschiedenen Typen eine im Wesentlichen einheitliche kurze Bremszeit erreicht werden.
