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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus
der
DE 36 10 131 A1 ist
eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, in deren Abgasstrang
eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, die über eine
Welle einen Verdichter antreibt, welcher einen erhöhten Ansaugdruck
im Ansaugkanal erzeugt. Um zu vermeiden, daß im Schubbetrieb ein unzulässig hohes
Schleppmoment erzeugt wird, das das Fahrverhalten des Fahrzeugs
ungünstig
beeinflussen kann, ist eine Druckentlastungseinrichtung vorgesehen,
bestehend aus einer die Turbine überbrückenden
Bypassleitung mit einem Sperrventil. Im Schubbetrieb wird das Sperrventil
geöffnet,
so daß das
Abgas die Turbine umgeht und zusätzliche,
das Schleppmoment erhöhende
Ausschubarbeit vermieden wird.
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Aus
der gattungsbildenden Druckschrift
DE 195 40 060 A1 ist ebenfalls eine mehrzylindrige,
aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, die neben einer Druckentlastungseinrichtung
auch eine Motorbremsvorrichtung aufweist. Im Bremsbetrieb wird eine
Bremsklappe in der Abgasleitung in Sperrstellung versetzt, wodurch
stromauf der Bremsklappe ein Überdruck
in der Abgasleitung aufgebaut wird. Das aufgestaute Abgas strömt mit hoher
Geschwindigkeit durch einen Bypass unmittelbar in einen Spiralkanal der
Turbine und beaufschlagt das Turbinenrad, woraufhin der Verdichter
im Ansaugtrakt einen Überdruck
aufbaut. Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck
beauf schlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslass
und der Bremsklappe ein Überdruck
an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Ablassventile
in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Bremsbetrieb muß der Kolben
im Verdichtungs- und im Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck
im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht
wird.
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Um
im Bremsbetrieb eine unzulässig
hohe Belastung durch einen zu hohen Staudruck stromauf der Bremsklappe
zu verhindern, wird bei Erreichen eines Druck-Grenzwertes die Druckentlastungseinrichtung
geöffnet,
so dass aufgestautes Abgas stromauf der Bremsklappe abgeleitet und
der Staudruck reduziert wird.
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Insbesondere
bei Verwendung von Festgeometrie-Turbinen mit Bremsklappe bzw. bei
einem Einsatz von Turbinen mit axial verstellbarem Leitgitter entsteht
bei einem Wechsel zwischen befeuertem Betrieb und Bremsbetrieb ein
starkes Registerverhalten, das sich bei angetriebenem Motor durch
einen Einbruch des Motormoments in der Hochlaufphase äußert, wodurch
das Fahrverhalten stark beeinträchtigt
wird. Das Registerverhalten rührt
daher, dass bei befeuertem Betrieb in der Motorhochlaufphase das axiale
Leitgitter bzw. die Bremsklappe in kurzer Zeit geöffnet wird,
um einerseits eine Drucküberlastung im
Leitungsstrang zwischen dem Zylinderauslass und der Turbine zu vermeiden
und andererseits einen ausreichend hohen Gasdurchsatz für die Erzeugung
hoher Ladedrücke
im oberen Drehzahlbereich zu gestatten. Aus der starken Querschnittsvergrößerung der
Turbine bzw. der Abgasleitung resultiert ein Ladedruckeinbruch mit
einhergehendem Motormomenteneinbruch, der erst bei einer weiteren
Drehzahlerhöhung
wieder ausgeglichen wird.
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Ergänzend wird
zum Stand der Technik auf Strobel, W.K.: Turbolader-Renner der Saison,
in: Automobilrevue 33 (1985), Seite 31 hingewiesen. Aus dieser Druckstelle
ist ein Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine bekannt, der mit variabler Turbinengeometrie
zur veränderlichen
Einstellung des dem Abgasturbolader zuzuführenden Strömungsquerschnittes ausgestattet
ist. Abhängig
von der Gaspedalposition und damit von der Motorbelastung werden
Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie pneumatisch in drei
Stufen verstellt, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase
bzw. die Turbinendrehzahl bei niedriger Drehzahl der Kurbelwelle
steigern und damit der Füllungsgrad
des Motors erhöhen
lässt.
Zur Vermeidung unzulässig
hoher Abgasgegendrücke
ist ein die Abgasturbine überbrückender
Bypass mit einstellbarem Ventil angeordnet.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine anzugeben, das eine gute Fahrbarkeit
des Fahrzeugs in der Antriebsphase sicherstellt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Durch
die Aufteilung der zeitveränderlichen Hochlaufkurve
in mehrere Phasen mit jeweils unterschiedlichem Turbinenquerschnitt
bzw. Leitungsquerschnitt kann ein im wesentlichen kontinuierlicher Ladedruck-
und Motormomentenanstieg erzielt werden, wodurch das Betriebsverhalten
im befeuerten Instationärbetrieb
deutlich verbessert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in
besonderer Weise für
einfach aufgebaute Turbinen, beispielsweise Festgeometrie-Turbinen
mit vorgelagerter Bremsklappe oder Turbinen, deren Geometrie über ein
radiales Leitgitter variabel einstellbar ist, die konstruktiv bedingt
nur geringe Einflussmöglichkeiten
zur Steuerung des Abgasstromes aufweisen. Brennkraftmaschinen mit
diesen Turbinen erreichen mit dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl
im Bremsbetrieb als auch im befeuerten Betrieb ein gutes instationäres Betriebsverhalten.
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In
der ersten Phase stehen sowohl die Motorbremsvorrichtung als auch
die Druckentlastungseinrichtung in Schließstellung und es kann ein progressiv
ansteigender Ladedruck erzeugt werden.
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Die
zweite Phase wird eingeleitet, bevor ein unzulässig hoher, eine Bauteilschädigung hervorrufender
Druckanstieg entsteht. In der zweiten Phase wird der Staudruck durch Öffnen der
Druckentlastungseinrichtung reduziert, indem die aus dem Leitungsstrang
stromauf der Turbine abgeleitete Abgasmenge erhöht wird. Da zugleich die Motorbremsvorrichtung
in ihrer Schließstellung
verbleibt, ist die Turbineneintrittsgeschwindigkeit höher im Ver gleich
zu einer Öffnung
der Motorbremseinrichtung, wodurch der Ladedruck- und der Momentenanstieg
lediglich eine Abflachung, jedoch keinen Einbruch erfahren. Der
Phasenübergang
von der ersten zur zweiten Phase kann kontinuierlich über die
sensibel einstellbare Druckentlastungseinrichtung erfolgen.
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In
der dritten Phase wird zusätzlich
auch die Motorbremsvorrichtung bis zur vollständigen Öffnung des Turbinenquerschnitts
bzw. des Leitungsquerschnitts stromauf der Turbine geöffnet. Da
in der zweiten Phase bereits eine Druckentlastung erfolgt ist, wird
durch die zusätzliche Öffnung über die
Motorbremsvorrichtung ein im wesentlichen kontinuierlicher Phasenübergang
zur dritten Phase erreicht. Es ist kein oder nur ein unwesentlicher
Ladedruck- und Momentenabfall im Phasenübergang zu erwarten.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
erfolgt die Regelung der Abblasevorrichtung sowohl in der zweiten
als auch in der dritten Phase kontinuierlich, um Unstetigkeiten,
insbesondere Druck- und Momentensprünge, zu vermeiden.
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Vorteilhaft
wird die zweite Phase eingeleitet, wenn der durch die Turbine durchgesetzte
Abgasvolumenstrom den Stopfbereich der Turbine erreicht, um in der
zweiten Phase durch eine geeignete Querschnittsverstellung eine
weitere Leistungssteigerung zu erzielen. Der Wert für den Abgasvolumenstrom bzw.
Turbineneintritts- oder Ladedruck kann hierbei entweder vorgegeben
oder im laufenden Betrieb numerisch ermittelt werden.
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Die
dritte Phase wird bevorzugt dann eingeleitet, wenn die Summe des
aus der Abgasleitung über
die Druckentlastungseinrichtung und die Turbine abgeführten Abgasvolumenstroms
bzw. Turbineneintritts- oder Ladedruck einen Wert erreicht, welcher ebenfalls
entweder vorgegeben oder im laufenden Betrieb numerisch ermittelt
werden kann.
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Sowohl
der Übergang
von der ersten zur zweiten als auch der Übergang von der zweiten zur dritten
Phase wird zweckmäßig erst
bei Erreichen des jeweiligen maximalen Abgasvolumenstroms bzw. des
maximalen Schluckvermögens
eingeleitet.
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Desweiteren
kann eine Regelungseinheit vorgesehen sein, über die sowohl die Motorbremsvorrichtung
als auch die Druckentlastungseinrichtung beim Hochlaufen des Motors
eingestellt werden kann. Als Hauptführungsgröße für die Regelungseinheit kann
der Soll-Ladedruck im Ansaugtrakt vorgegeben werden, der sowohl
im Teillastbereich als auch im Vollastbereich eine wichtige Führungsgröße für die Einstellung
des Abgasturboladers darstellt und insbesondere in einem Kennfeld
der Regelungseinheit parametrisiert abgespeichert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann sowohl bei Turbinen mit Festgeometrie als auch bei Turbinen
mit variabel einstellbarer Geometrie angewandt werden. Bei Festgeometrie-Turbinen
ist die Motorbremseinrichtung zweckmäßig über eine Bremsklappe stromauf
der Turbine realisiert, die mit einem Bypass kombiniert werden kann, über den
in Staustellung der Bremsklappe das unter erhöhtem Gegendruck stehende Abgas
in eine Nebenflut der Turbine geleitet wird. Bei Turboladern mit
variabler Turbinengeometrie kann ein axial in den Turbinenquerschnitt
einschiebbares Leitgitter eingesetzt werden, das sich durch eine
einfache konstruktive Ausbildung auszeichnet. Gegebenenfalls können aber auch
Vollvarioturbinen mit schwenkbaren Schaufeln verwendet werden.
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Als
Druckentlastungseinrichtung kann eine Abblaseeinrichtung zur Überbrückung der
Turbine und/oder eine Abgasrückführung zur
Rückführung eines
Teils des Abgases in den Ansaugtrakt eingesetzt werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
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2 ein
Schaubild mit dem Verlauf des Ladedrucks in Abhängigkeit der Zeit,
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3 ein
Schaubild mit dem durch die Turbine durchgesetzten Volumenstrom,
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4 ein
Schaubild mit dem Verlauf des Motormoments in Abhängigkeit
der Motordrehzahl.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 eines
Kraftfahrzeugs weist einen Abgasturbolader 2 auf, dessen
Turbine 3 im Abgasstrang 6 von den Abgasen der
Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird und über eine
Welle 5 einen Verdichter 4 im Ansaugtrakt 7 betätigt. Im
Verdichter 4 wird Ansaugluft komprimiert, die aus der Atmosphäre mit Umgebungsdruck
angesaugt, gegebenenfalls gereinigt und dem Verdichter 4 zugeführt wird.
Die im Verdichter komprimierte Ansaugluft wird in einem Ladeluftkühler 16 gekühlt und
tritt mit dem Ladedruck p2S in ein Saugrohr
der Brennkraftmaschine 1. Über das Saugrohr wird die Ansaugluft
Saugkanälen,
die in die Zylindereinlässe
der Brennkraftmaschine 1 münden, zugeführt.
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Das
aus der Brennkraftmaschine in den Abgasstrang 6 geleitete
Abgas wird der Turbine 3 zugeführt. Es ist eine Motorbremsvorrichtung 8 vorgesehen,
die im gezeigten Beispiel als variabel einstellbare Turbinengeometrie,
nämlich
als axial in den Turbinenquerschnitt einschiebbares Leitgitter,
ausgeführt ist,
das zur Reduzierung des freien Querschnitts in den Düsenkanal
der Turbine eingeschoben werden kann, wodurch im Motorbremsbetrieb der
Abgasgegendruck p3 und der Ladedruck p2S erhöht
wird. In dieser Staustellung des Leitgitters ist der Strömungsquerschnitt
der Turbine reduziert und es wird ein hoher Abgasgegendruck in dem
Leitungsabschnitt 9 zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader 2 aufgebaut.
Das Abgas strömt
mit hoher Geschwindigkeit durch die Kanäle der Turbinengeometrie und beaufschlagt
das Turbinenrad, woraufhin der Verdichter 4 im Ansaugtrakt 7 einen Überdruck
aufbaut. Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck
p2S beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen
dem Zylinderauslaß und
dem Abgasturbolader ein Überdruck
p3 an, der dem Abblasen der im Zylinder
verdichteten Luft über
Bremsventile in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Bremsbetrieb muß der Kolben
im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den
hohen Überdruck
im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht
wird.
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Weiterhin
sind eine erste und eine zweite Druckentlastungseinrichtung 10, 10' vorgesehen, über die
ein Teil des Abgases in dem Leitungsabschnitt 9 stromauf
der Turbine 3 ausgeleitet und der Abgasgegendruck p3 reduziert werden kann. Die erste Druckentlastungseinrichtung 10 ist
als Abblaseeinrichtung 12 ausgeführt, die aus einem als Drehschieber
ausgebildeten Sperrventil in einer Überbrückungsleitung 13 besteht,
wobei die Überbrükkungsleitung 13 stromauf
der Turbine 3 von dem Leitungsabschnitt 9 abzweigt
und stromab der Turbine in einen Leitungsabschnitt 11 des
Abgasstrangs 6 einmündet.
In Öffnungsstellung
des Sperrventils der Abblaseeinrichtung 12 wird Abgas unter
Umgehung der Turbine 3 direkt vom Leitungsabschnitt 9 zum
Leitungsabschnitt 11 transportiert.
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Die
zweite Druckentlastungseinrichtung 10' ist als Abgasrückführung 14 ausgebildet
und besteht aus einem als Drehschieber ausgeführten Rückführungsventil in einer Rückführungsleitung 15, über die Abgas
aus dem Leitungsabschnitt 9 in den Ansaugtrakt 7 rückführbar ist.
Zwischen dem Rückführungsventil
und dem Ansaugtrakt 7 wird das rückgeführte Abgas in einem Abgasrückführungs-Kühler 17 gekühlt.
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In
einer Regelungseinheit 18 werden in Abhängigkeit des Last- und Betriebszustandes
der Brennkraftmaschine 1 Stellsignale für die Einstellung der Motorbremsvorrichtung 8 und
der ersten und zweiten Druckentlastungseinrichtung 10, 10' generiert. Über eine
Signalleitung 19 werden der Ladedruck p2S und
weitere Motorparameter, insbesondere die Drehzahl n, als Eingangssignal
der Regelungseinheit 18 zugeführt. Aus den Eingangssignalen
werden in der Regelungseinheit 18 Stellsignale erzeugt, die über weitere
Signalleitungen 20, 21, 22 den Stellgliedern
regelungsbedürftiger
Motorkomponenten zugeführt
werden. Zweckmäßig werden über die
Regelungseinheit 18 die als Leitgitter ausgeführte Motorbremsvorrichtung 8,
die Abblaseeinrichtung 12 und die Abgasrückführung 14 eingestellt.
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Die
Regelung der Motorbremsvorrichtung 8 und der Druckentlastungseinrichtungen 10, 10' erfolgt sowohl
im Motorbremsbetrieb als auch im befeuerten Betrieb. Anhand der 2 bis 4 wird
das Verfahren für
den befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine beschrieben.
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2 zeigt
das Instationärverhalten
des Ladedrucks p2S in der Hochlaufphase
bei befeuertem Betrieb. Es sind zwei Ladedruck-Kurven eingezeichnet, eine erste, durchgezogene
Ladedruck-Kurve A, die ein unerwünschtes,
herkömmliches
Ladedruck-Verhalten zeigt, und eine zweite, gestrichelte Ladedruck-Kurve
B, die sich bei Anwendung des neuen Verfahrens einstellt.
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Die
Ladedruck-Kurve A steigt im Zeitpunkt 0 beginnend progressiv bis
zum Zeitpunkt t2 an. In diesem Abschnitt
befinden sich die Motorbremsvorrichtung in Staustellung und die
Druckentlastungseinrichtungen in Schließstellung. Zum Zeitpunkt t2 wird die Motorbremsvorrichtung in Öffnungsstellung
versetzt, indem das Leitgitter der Turbine aus dem Turbinenkanal
gezogen wird. Daraufhin fällt
der Ladedruck schlagartig ab und beginnt erst im Zeitpunkt t3 wieder zu steigen.
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Gemäß dem neuen
Verfahren stellt sich die gestrichelte Ladedruck-Kurve B ein. Im
Zeitraum zwischen 0 und t1, der ersten Phase
im instationären Hochlaufverhalten,
stimmt die Ladedruck-Kurve
B mit der Ladedruck-Kurve A überein.
In diesem Zeitabschnitt sind sowohl die Druckentlastungseinrichtungen
als auch die Motorbremsvorrichtung geschlossen, der wirksame Querschnitt
ist minimal.
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Die
zweite Phase erstreckt sich vom Zeitpunkt t1 bis
zum Zeitpunkt t4. Im Zeitpunkt t1 wird begonnen, die Druckentlastungseinrichtungen
in Öffnungsstellung
zu versetzen; die Motorbremsvorrichtung verbleibt in Staustellung.
Zweckmäßig wird
zunächst
die Druckentlastung über
die Abblaseeinrichtung und anschließend die Druckentlastung über die Abgasrückführung betätigt, wobei
bevorzugt ein kontinuierliches Erweitern des Querschnitts angestrebt wird.
Der Ladedruck steigt ohne Einbruch kontinuierlich, jedoch mit abgeflachtem
Kurvenverlauf, bis zum Zeitpunkt t4 an,
in dem die dritte Phase beginnt.
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Im
Zeitpunkt t4 wird begonnen, auch die Motorbremsvorrichtung
zu öffnen.
Bei Verwendung eines axial verschiebbaren Leitgitters wird dieses
aus dem Turbinenkanal gezogen, bei Verwendung einer Bremsklappe
wird diese geöffnet.
Durch die erhebliche Querschnittserweiterung kann es vorkommen, daß der Ladedruck
bis zum Zeitpunkt t5 geringfügig absinkt;
im Anschluß daran
steigt der Ladedruck jedoch wieder an.
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Insgesamt
wird über
die drei Phasen gemäß der gestrichelten
Ladedruck-Kurve B ein im wesentlichen kontinuierlicher, stetiger
Ladedruck-Verlauf und dementsprechend ein kontinuierlicher, stetiger
Motormomenten-Verlauf erreicht.
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Das
Schaubild nach 3 zeigt Volumenstromkurven 23, 24,
die den durch die Turbine durchgesetzten Volumenstrom dV/dt in Abhängigkeit
des Turbinendruckverhältnisses
P3/p4 – dem Verhältnis des
Turbineneingangsdrucks p3 zum Turbinenausgangsdruck
p4 – repräsentieren.
Die Volumenstromkurve 23 entspricht dem Verlauf bei geschlossener Motorbremsvorrichtung,
die Volumenstromkurve 24 dem Verlauf bei geöffneter
Motorbremsvorrichtung. Bei geschlossener Motorbremsvorrichtung liegt
das Schluckvermögen
der Turbine und der durch die Turbine durchgesetzte Volumenstrom
entsprechend der Kurve 23 auf geringerem Niveau als bei
der Kurve 24, bei der die Motorbremsvorrichtung den Strömungsquerschnitt
nicht behindert und dementsprechend mehr Abgas durchgesetzt werden
kann.
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In
das Schaubild nach 3 sind die Ladedruck-Kurven
A und B eingezeichnet. Gemäß der Ladedruck-Kurve
A steigt der Volumenstrom entlang der unteren Volumenstromkurve 23 beginnend
beim Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt t2 an,
zum Zeitpunkt t2 wird die Motorbremsvorrichtung – das Leitgitter
bzw. die Bremsklappe – außer Funktion
gesetzt, wodurch der Querschnitt schlagartig vergrößert wird
und der Volumenstrom gemäß Pfeil 25 auf
die obere Volumenstromkurve 24 ansteigt. Zugleich sinkt
jedoch das Druckverhältnis
p3/p4 stark ab.
Im weiteren Verlauf bewegt sich der Volumenstrom entlang der oberen
Volumenstromkurve 24.
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Gemäß der das
neue Verfahren kennzeichnenden, gestrichelt eingezeichneten Ladedruck-Kurve
B steigt der Volumenstrom zunächst
entlang des instationären
Abschnitts der unteren Volumenstromkurve 23 an und erreicht
zum Zeitpunkt t1 den stationären Wert des
Volumenstroms dV/dt. Im Zeitpunkt t1 beginnt
die zweite Phase, in der die Druckentlastungseinrichtung geöffnet wird,
wodurch der Volumenstrom gemäß Pfeil 26 bis
zum Zeitpunkt t4 weiter ansteigt. Im Zeitpunkt
t4 beginnt die dritte Phase, in der die
Motorbremsvorrichtung außer
Kraft gesetzt wird. Vom Zeitpunkt t4 bis
zum Zeitpunkt t5 steigt der Volumenstrom
bis auf die obere Volumenstromkurve 24 an, wobei zwischen
t4 und t5 ein nur
geringer Abfall im Druckverhältnis
p3/p4 zu verzeichnen
ist. Im weiteren Verlauf folgt der Volumenstrom der oberen Volumenstromkurve 24.
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4 zeigt
ein Motorkennfeld mit dem Verlauf 28 des Motormoments bei
Vollast, aufgetragen über
der Drehzahl n bis zur Nenndrehzahl n0.
Unterhalb des Verlaufes 28 werden vier Bereiche 29 bis 32 unterschieden,
die jeweils unterschiedliche Betriebsweisen charakterisieren.
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Der
Bereich 29 entspricht der ersten Phase, in der die Motorbremsvorrichtung
und die Druckentlastungseinrichtung geschlossen sind.
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Der
Bereich 30 entspricht der zweiten Phase, in der die Drukkentlastungseinrichtung,
insbesondere die Abblaseeinrichtung, geöffnet wird.
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Die
Bereiche 31 und 32 entsprechen der dritten Phase
mit außer
Funktion gesetzter Motorbremsvorrichtung, wobei im Bereich 31 die
Druckentlastung fakultativ insbesondere bei einer relativ kleinen
Turbinenschluckfähigkeit
erfolgt und entweder über
die Abblaseeinrichtung oder über
die Abgasrückführung erfolgt.
Im Bereich 32, der den unteren Teillastbereich ohne Motoraufladung
markiert, sind sowohl die Abblaseeinrichtung als auch die Abgasrückführung geöffnet.