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Die
Erfindung betrifft ein Motorbremsverfahren und eine Motorbremseinrichtung
für eine
aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 bzw. 10.
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Aufgeladene
Brennkraftmaschinen werden insbesondere bei großvolumigen Dieselmotoren in Nutzfahrzeugen
auch im unbefeuerten Motorbremsbetrieb zur Erzeugung von Bremsleistung
genutzt. Ein derartiges Motorbremssystem für aufgeladene Brennkraftmaschinen
ist aus der
DE 195
43 190 A1 bekannt, die eine Turbine mit einer über ein
verstellbares Leitgitter variabel einstellbaren Turbinengeometrie
aufweist. Das Leitgitter umfaßt
Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so eingestellt werden können, daß der wirksame
Turbinenquerschnitt der Turbine verändert wird. Hierdurch ist es
möglich,
je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe
Drücke
im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader zu realisieren,
wodurch die Leistung der Turbine und die Leistung des Verdichters
je nach Bedarf eingestellt werden können.
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Um
im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswirkung zu
erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in
der der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert ist. Im Abschnitt
zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader baut sich ein hoher
Abgasgegendruck auf, zugleich strömt Abgas mit hoher Geschwindigkeit
durch die Kanäle
zwischen den Leitschaufeln und beaufschlagt das Turbinenrad, dessen
kinetische Energie auf den Verdichter übertragen wird. Die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft
wird daraufhin vom Verdichter unter Überdruck gesetzt.
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Dadurch
wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt,
ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein Überdruck
an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Dekompressionsventile
in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb 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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Aus
der Druckschrift
DE
39 35 367 A1 ist ein Motorbremsverfahren für aufgeladene
Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem über eine Abgasrückführung Gase
aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt wieder eingespeist werden,
wodurch das Druckniveau erhöht
wird, so daß die
Kolbenbewegung gegen den erhöhten
Druck erfolgen muß.
Durch die Aufnahme von Bremsenergie steigen Temperatur und Druck
des im Ansaugtrakt und Abgasstrang eingeschlossenen Kreislaufgases
an. Damit die Abgastemperatur nicht über gewisse Grenzen ansteigt, sind
verschiedene Möglichkeiten
zur Kühlung
des Abgases vorgesehen. Zum einen wird bei hoher Temperatur verdampfende
Flüssigkeit
in den Kreislauf eingeführt,
wobei das Abgas durch die Verdampfung abgekühlt wird. Zum anderen strömt im Motorbremsverfahren
Abgas aus, wodurch die aus der Bremsenergie entstehende Wärme nach
außen
abgeführt wird.
Schließlich
kann ein Ladeluftkühler
zur Kreislaufluftkühlung
durchlaufen werden.
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Sämtliche
Ausführungsformen
haben gemeinsam, daß im
Motorbremsverfahren dem Abgas, welches den Zylindern über die
Abgasrückführung wieder
zugeführt
wird, Wärme
entzogen wird.
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Gemäß der Druckschrift
DE 30 40 201 A1 soll
im befeuerten Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine die
Ladeluft bei niedrigen Drehzahlen und bei geringer Motorbelastung
nicht gekühlt
werden, da bei niedriger Ladelufttemperatur das Verbrennungsverhalten
schlechter ist und der Motor nicht gleichmäßig läuft. Bei niedriger Drehzahl
und geringer Last wird daher die Ladeluft über eine zweite Ladeluftleitung,
welche den Ladeluftkühler überbrückt, dem
Motor zugeführt.
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Der
Offenbarungsgehalt der
DE
30 40 201 A1 ist beschränkt
auf den Fall niedriger Last und niedriger Drehzahl; in diesen Bereichen
wird in der befeuerten Antriebsbetriebsweise auf eine Ladeluftkühlung verzichtet.
Der Verzicht auf die Ladeluftkühlung
erfolgt hierbei allein zu dem Zweck, das Verbrennungsverhalten des
Motors in diesen Betriebspunkten zu verbessern. In der
DE 30 40 201 A1 wird ausschließlich der
Betrieb einer Brennkraftmaschine in der befeuerten Antriebsbetriebsweise
beschrieben, ein Motorbremsbetrieb ist in dieser Druckschrift nicht
erwähnt.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfach zu realisierenden
Mitteln die Motorbremsleistung anzuheben.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 10 gelöst.
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Die
Erfindung basiert auf der grundlegenden Idee, im Motorbremsbetrieb
zur Steigerung der Bremsleistung das Energiepotential der den Zylindern
zugeführten
Verbrennungsluft zu erhöhen. Durch
die Zufuhr von erwärmter
Luft zu den Zylindern mit erhöhtem
Temperaturniveau wird ein höherer
Zylinderinnendruck erzielt, der den Kolbenbewegungen entgegensteht
und eine entsprechend erhöhte
Kolbenarbeit erforderlich macht. Die Kolbenarbeit entspricht der
Bremsleistung zur Bremsung des Fahrzeugs.
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Die
Erwärmung
der Luft erfolgt konservativ bzw. passiv ohne zusätzliche
Energiequelle, sondern allein durch Zufuhr von Wärme von bereits vorhandenen
Wärmequellen
bzw. durch den Verzicht auf Kühlung,
die üblicherweise
in der befeuerten Antriebsbetriebsweise mit Hilfe eines Ladeluftkühlers durchgeführt wird.
Es werden bereits vorhandene Ressourcen für die Erwärmung genutzt.
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Beim
Einsatz von Ladern zur Erzeugung verdichteter Verbrennungsluft wird
durch die Kompression eine Temperatursteigerung erzielt, die während der
befeuerten Antriebsbetriebsweise unerwünscht ist und mittels eines
dem Lader nachgeschalteten Ladeluftkühlers kompensiert wird, so
daß im
Verbrennungsbetrieb gekühlte
Luft mit hoher Sauerstoffdichte zur Verfügung steht. Im üblicherweise
nicht-befeuerten Motorbremsbetrieb wird auf die Ladeluftkühlung der
Verbrennungsluft ganz oder teilweise verzichtet, indem ein Teilstrom
oder der gesamte Strom der Verbrennungsluft am Ladeluftkühler vorbei
geführt
wird, der Ladeluftkühler
also kurzgeschlossen wird. Durch den Verzicht auf die Kühlung steht
für die Bremsung
ein höheres
Energiepotential zur Verfügung.
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Die
Umgehung des Ladeluftkühlers
wird vorteilhaft mittels einer überbrückenden
Umgehungsleitung realisiert, der ein Sperrventil zugeordnet ist,
welches von einer Regelungs- und Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit
des Last- und Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zu öffnen und
zu schließen
ist.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Ausführung zur erfindungsgemäßen Anhebung
der Motorbremsleistung ist eine Abgasrückführung vorgesehen, die im Motorbremsbetrieb
aktiviert wird. Dadurch wird Gas aus dem Abgasstrang – während des
Motorbremsbetriebs üblicherweise
unverbrannte Verbrennungsluft –,
das durch die Kompression in den Zylindern und die Abblasung über Bremsventile
ein erhöhtes
Temperaturniveau aufweist, stromauf des Zylindereinlasses mit der
im Lader verdichteten Verbrennungsluft des Ansaugtraktes vermischt
und dem Motor zugeführt.
Für den
Fall, daß ein
Ladeluftkühler
vorgesehen ist, erfolgt die Zufuhr der erwärmten Luft stromab des Ladeluftkühlers und
unmittelbar stromauf des Zylindereinlasses.
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Die
zugehörige
Motorbremseinrichtung umfaßt
vorteilhaft eine Rückführungsleitung
zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt mit einem zugeordneten Schließventil,
welches von der Regelungs- und Steuerungseinrichtung
geöffnet
und geschlossen wird.
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Die
Anhebung der Verbrennungslufttemperatur im Motorbremsbetrieb erfolgt
bevorzugt durch eine Kombination von Kurzschließung des Ladeluftkühlers und
Abgasrückführung.
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In
vorteilhafter Weiterbildung wird der Anteil der am Ladeluftkühler vorbeigeleiteten
Verbrennungsluft und/oder der Anteil des aus dem Abgasstrang in
den Ansaugtrakt rückgeführten Gasstromes druck-
und/oder temperaturabhängig
geregelt. Als Führungsgröße der Regelung
kann die Temperatur oder der Druck stromauf/stromab des Ladeluftkühlers und/oder
stromauf/stromab der Turbine dienen, wobei insbesondere bei einer
Druckregelung auch die Summe oder die Differenz aus zwei Druck-Zustandswerten
als Regelgröße herangezogen
werden können.
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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
Ansicht einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler,
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2 eine
Ansicht eines Sperr- oder Schließventils für die Umgehung des Ladeluftkühlers bzw.
für die
Abgasrückführung.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1,
insbesondere die Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, weist einen
Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 im Abgasstrang 6 und
einen Verdichter 4 im Ansaugtrakt 7 auf. Die Turbine 3 ist
mit einer variabel einstellbaren Turbinengeometrie zur veränderlichen
Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts ausgestattet. Die
Turbine 3 wird von den unter dem Abgasgegendruck p3 stehenden Abgasen im Abgasstrang 6 zwischen
dem Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine
und dem Turbineneinlaß angetrieben.
Stromab der Turbine 3 wird das entspannte Abgas mit dem
Druck p4 über einen Katalysator in die Atmosphäre abgelassen.
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Die
Turbine 3 treibt über
eine Welle 5 den Verdichter 4 an, der die mit
Atmosphärendruck
p1 angesaugte Verbrennungsluft auf einen
erhöhten
Druck p2 verdichtet. Die im Verdichter 4 komprimierte
Verbrennungsluft wird in einem Ladeluftkühler 8 stromab des
Verdichters 4 gekühlt
und anschließend
mit dem Ladedruck p2S dem Saugrohr 9 der
Brennkraftmaschine 1 zur Verteilung auf die Zylindereinlässe 10 zugeführt. Der
erhöhte
Ladedruck p2S führt zu einer Steigerung der
Motorantriebsleistung.
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Den
verschiedenen Druckwerten p1 stromauf des
Verdichters 4, p2 zwischen Verdichter 4 und
Ladeluftkühler 8,
p2S stromab des Ladeluftkühlers 8,
p3 stromauf der Turbine 3 und p4 stromab der Turbine 3 sind entsprechende
Temperaturwerte T1, T2,
T2S, T3 und T4 zugeordnet.
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Der
Abgasturbolader 2 kann auch im Motorbremsbetrieb zur Erzeugung
von Motorbremsleistung eingesetzt werden. Die einstellbare Geometrie der
Turbine 3 wird hierfür
in eine Staustellung überführt, in
der der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt reduziert ist. Daraufhin
baut sich ein erhöhter
Abgasgegendruck p3 auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindigkeit
durch den reduzierten Eintrittsquerschnitt der Turbine und trifft
auf das den Verdichter 4 antreibende Turbinenrad, wodurch
im Ansaugtrakt 7 ein Überdruck
p2 aufgebaut wird. Zugleich werden Bremsventile
am Zylinderauslaß der
Brennkraftmaschine 1 geöffnet,
durch die die im Zylinder verdichtete Luft in den Abgasstrang 6 abgeblasen
wird.
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Die
Bremsleistung kann durch die Stellung der variablen Turbinengeometrie
und der daraus resultierenden Einstellung des Turbineneintrittsquerschnitts
beeinflußt
werden.
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Die
Turbine kann als Axialschieberturbine mit axial verschieblichem
Leitgitter ausgeführt
sein. Gemäß einer
anderen Ausführung
kann die variable Turbinengeometrie auch durch drehbare Schaufeln realisiert
sein. Die Querschnittseinstellung wird in diesem Fall durch Drehung
der Schaufeln bewerkstelligt.
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Alternativ
hierzu kann die Turbine mit einer Klappe im Eintritt und stromauf
des Eintritts abgehenden Beschleunigungskanälen ausgestattet sein. Auch
in dieser Ausführung
kann der das Turbinenrad beaufschlagende Abgasstrom situationsabhängig eingestellt
werden.
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Im
Ansaugtrakt 7 ist eine den Ladeluftkühler 8 überbrückende Umgehungsleitung 11 vorgesehen, die
zwischen dem Verdichter 4 und dem Ladeluftkühler 8 von
der Ansaugleitung abzweigt und stromab des Ladeluftkühlers vor
dem Zylindereinlaß 10 wieder
in die Ansaugleitung im Bereich des Saugrohrs 9 einmündet. Im
Bereich der Abzweigung ist ein zugeordnetes Sperrventil 12 angeordnet.
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Weiterhin
ist eine Abgasrückführung vorgesehen,
die eine Rückführungsleitung 13,
welche vom Abgasstrang 6 stromauf der Turbine 3 abzweigt
und in den Ansaugtrakt 7 stromab des Ladeluftkühlers 8 mündet, und
ein zugeordnetes Schließventil 14 im Bereich
der Abzweigung vom Abgasstrang 6 umfaßt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Brennkraftmaschine als V-Motor mit zwei Zylinderbänken mit
jeweils drei Zylindern ausgebildet, wobei jede Zylinderbank einen
Abgasauslaß 16, 17 aufweist
und jeder Abgasauslaß 16, 17 der
Turbine 3 zugeführt
ist.
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Über eine
schematisch dargestellte Regelungs- und Steuerungseinrichtung 15 werden
die Funktionen der Brennkraftmaschine gesteuert bzw. geregelt. Über Signalleitungen 18 bis 21 kommuniziert
die Einrichtung 15 mit dem Motor, mit dem Sperrventil 12, mit
dem Schließventil 14,
mit der Turbine 3 sowie gegebenenfalls mit weiteren Bauteilen der
Brennkraftmaschine. Die Regelungs- und Steuerungseinrichtung 15 empfängt Eingangssignale,
welche den Last- und Betriebszustand der Brennkraftmaschine repräsentieren,
und erzeugt Stellsignale zur Einstellung der Kraftstoffeinspritzung,
der Motor- und Bremsventile, der variablen Turbinengeometrie und
der Sperr- und Schließventile 12, 14.
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In
der befeuerten Antriebsbetriebsweise befindet sich das Sperrventil 12 in
Schließstellung,
in der die Umgehungsleitung 11 abgesperrt ist und der gesamte
Frischluftstrom durch den Ladeluftkühler 8 zur Absenkung
der Temperatur vom höheren
Niveau T2 auf das tiefere Niveau T2S geführt
ist.
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Das
Schließventil 14 in
der Abgasrückführung mit
der Rückführungsleitung 13 kann
in der befeuerten Antriebsbetriebsweise je nach Anforderung und
Lastzustand der Brennkraftmaschine in Schließstellung oder Öffnungsstellung
stehen, wobei in Schließstellung
die Rückführungsleitung 13 abgesperrt
ist.
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Zweckmäßig können beide
Ventile 12, 14 kontinuierlich zwischen Öffnungs-
und Schließstellung
verstellt werden, wodurch Zwischenstellungen einstellbar sind, in
denen Teilströme
durch die jeweiligen Leitungen geführt sind.
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Wenn
von der Regelungs- und Steuerungseinrichtung 15 ein Motorbremsbetrieb
detektiert wird, schaltet entweder das Sperrventil 12 oder
das Schließventil 14 oder
beide Ventile vollständig
oder teilweise von Schließstellung
in Öffnungsstellung
um.
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Wird
das die Umgehungsleitung 11 beeinflussende Sperrventil 12 geöffnet, so
strömt
je nach Ventilstellung ein Teilstrom oder der gesamte Luftstrom
durch die Umgehungsleitung 11 und überbrückt den Ladeluftkühler 8.
Dies hat zur Folge, daß im
Lade luftkühler 8 weder
ein Temperatur- noch ein Druckabfall auftritt, so daß die Ladelufttemperatur
T2S und der Ladedruck p2S sich
auf dem höheren
Niveau T2 bzw. p2 befinden
und die Zylinder im Motorbremsbetrieb mit entsprechend wärmerer und
höher verdichteter
Verbrennungsluft beschickt werden.
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Wird
das die Rückführleitung 13 beeinflussende
Schließventil 14 geöffnet, so
strömt
das insbesondere bei Einsatz einer variablen Turbinengeometrie unter
einen hohen Abgasgegendruck p3 und unter erhöhte Temperatur
T3 gesetzte Gas aus dem Abschnitt des Abgasstrangs 6 stromauf
der Turbine 3 zurück
in das Saugrohr 9. Ladelufttemperatur T2S und Ladedruck
p2S befinden sich auf niedrigerem Niveau als
die Temperatur T3 und der Abgasgegendruck
p3 im Abgasstrang, so daß eine eindeutige Strömung in Richtung
Saugrohr gewährleistet
ist und die Verbrennungsluft im Saugrohr erwärmt wird.
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Die Öffnung der
Ventile 12 und 14 im Motorbremsbetrieb kann sowohl
druck- als auch temperaturabhängig
geregelt werden. Die Führung
der Regelung kann über
die Temperaturen im Ansaugtrakt und über die Temperaturen im Abgasstrang
erfolgen. Im Ansaugtrakt kommen die Temperatur T2 der
aufgeladenen Verbrennungsluft stromauf des Ladeluftkühlers und
die Temperatur T2S der Verbrennungsluft stromab
des Ladeluftkühlers
in Frage. Im Abgasstrang kann die Temperatur T3 stromauf
der Turbine oder die Temperatur T4 stromab
der Turbine berücksichtigt
werden.
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In
entsprechender Weise können
die korrespondierenden Drücke
p2, p2S, p3, p4 für die Regelung herangezogen
werden. Bei einer Druckregelung kann außerdem die Summe oder die Differenz
der Drücke
zwischen Ansaugtrakt und Abgasstrang als Führungsgröße für die Regelung ermittelt werden, nämlich die
Summe bzw. Differenz der Druckpaare (p2,
p3), (p2S, p3), (p2, p4) oder (p2S, p4). Als Regelungskriterium kann beispielsweise
die Maximierung der Bremsleistung oder die Einhaltung einer maximalen Tempera tur
bzw. eines maximalen Druckes vorgegeben werden.
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Um
einen raschen Bremsleistungsaufbau zu erhalten und das Ansprechverhalten
im Bremsbetrieb zu verbessern, kann im Verbrennungsbetrieb bei kleinen
Lasten/Drehzahlen das Temperaturniveau der Verbrennungsluft erhöht werden,
so daß bereits
während
des Übergangs
von Zug- auf Schubbetrieb Verbrennungsluft mit hohem Energiepotential zur
Verfügung
steht.
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Das
in 2 gezeigte Ventil entspricht dem Sperrventil 12 bzw.
dem Schließventil 14 aus 1. Das
Ventil ist mit einer stufenlos einstellbaren Ventilklappe 22 ausgestattet,
so daß der
im Motorbremsbetrieb durch die betreffende Umgehungs- bzw. Rückführungsleitung
geführte
Gasstrom der Regelung entsprechend mit hoher Genauigkeit eingestellt werden
kann.
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Das
Motorbremssystem ist für
alle Aufladeverfahren geeignet. Es können insbesondere Abgasturbolader
mit Festgeometrie, Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie,
Turbobrake-Systeme und mechanische Lader sowie alle Bremssysteme mit
unterschiedlichen Ventilarten mit und ohne Bremsklappe mit dem erfindungsgemäßen Motorbremssystem
ausgerüstet
werden.
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Es
kann auch zweckmäßig sein,
eine gesondert ausgebildete Wärmequelle
oder Wärmezufuhr zur
Erhöhung
des Temperaturniveaus der den Zylindern zugeführten Verbrennungsluft im Motorbremsbetrieb
vorzusehen.