DE2438118A1 - Verfahren und vorrichtung zur erhitzung der ansaugluft eines aufgeladenen dieselmotors bei schwachen belastungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erhitzung der ansaugluft eines aufgeladenen dieselmotors bei schwachen belastungen

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Description

SOCIETE D'ETUDES DE MACHINES THERMIQUES S.E.M.T., 2, Quai de Seine, 93202 - SAINT-DENIS, Frankreich.
Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung der Ansaugluft eines aufgeladenen Dieselmotors bei schwachen Belastungen.
Die folgende Erfindung betrifft im wesentlichen ein Verfahren zur Erhitzung der Ansaugluft eines aufgeladenen Dieselmotors bei schwachen Belastungen.
Es ist in der Technik bekannt, daß man zur Vergrößerung der Leistung eines Dieselmotors den Drück der Aufladeluft verstärken kann, so daß die Menge des in den Motor eingegebenen Zündstoffes erhöht und korrelativ die Menge des eingespritzten Brennstoffes je Arbeitszyklus vergrößert werden kann. In den aufgeladenen Dieselmotoren wird die Luft durch einen über eine Turbine angetriebenen Kompressorkomprimiert, wobei die Turbine selbst im allgemeinen von den
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COMMERZBANK HAMBURG 22/58226 (BLZ 200 400 00) · POSTSCHECKAMT HAMBURG 225058-208
Auspuffgasen des Motors angetrieben wird. Bei diesen Motoren ist es sogar oft notwendig, zwischen dem Verdichter und dem AnsaugsammeIrohr einen Luftkühler einzubauen, um die Temperatur der Luft nach erfolgter Verdichtung abzukühlen, so daß auf diese Weise die Menge der in die Zylinder eingegebenen Luft je bewegtem Volumen vergrößert und gleichzeitig ein annehmbares Temperaturniveau während des Arbeitszyklus des Motors aufrechterhalten wird.
Bei einem gegebenen Verdichtungsgrad des Motors kann man jedoch den Druck der Aufladeluft nicht unbegrenzt vergrößern, da zu große Verbrennungsdrücke auftreten würden, die die Organe des Motors schädlichen Belastungen aussetzen würden. Dies führt danach zu einer Verringerung des Verdichtungsgrades.
Die Verringerung des Verdichtungsgrades des Motors darf jedoch gewisse Grenzwerte nicht unterschreiten, da das Starten und der Betrieb bei schwachen Belastungen schwierig wird, indem die Temperatur der Ansaugluft nach der Verdichtung nicht mehr ausreichend hoch ist, um das Entflammen des eingespritzten Brennstoffes zu bewirken. Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, die aufgeführten Nach-
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teile zu beheben, indem sie die Erhitzung der Ansaugluft bei schwachen Belastungen ermöglicht.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Erhitzung der Ansaugluft eines aufgeladenen Dieselmotors bei schwachen Belastungen vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die zur Erhitzung notwendige Wärme wenigstens einem Teil der Auspuffgase des Motors entnommen und auf wenigstens einen Teil der Ansaugluft übertragen wird.
Die Erfindung betrifft ebenfalls jede Vorrichtung zur Ausführung des genannten Verfahrens, insbesondere bei einem Motor mit einer Auspuffgasturbine, die an das Auspuffs ammelrohr angeschlossen und mit einem Verdichter für die Aufladeluft gekuppelt ist, dessen Ausgang gegebenenfalls über einen Luftkühler mit dem AnsaugsammeIrohr verbunden ist, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Mittel zum Wärmeaustausch umfaßt, die einerseits an das eine Wärmequelle bildende Auspuffsammeirohr und andererseits an das Ansaugsammelrohr angeschlossen sind,
Beim Starten kann die Luft durch einen nicht beschriebenen Hilfsbrenner erwärmt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Abbildungen naher erklärt. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Schema einer ersten Vorrichtung zur Erhitzung
der Ansaugluft,
Fig. 2 ein Schema einer Ausführungsvariante der Vorrichtung
gemäß Fig. 1,
Fig. 3 das Schema einer zweiten Vorrichtung zur Erhitzung der Ansaugluft,
Fig. 4 eine Variante der Vorrichtung gemäß Fig. 3, Fig. 5 und 6 Abweichungen von Einzelheiten, die bei der Vor richtung gemäß Fig. 3 angewandt werden können, Fig. 7 das Schema einer weiteren Vorrichtung zur Erhitzung
der Ansaugluft,
Fig. 8 das Schema einer Ausführungsvariante der Vorrichtung
gemäß Fig. 7,
Fig. 9 das Schema einer Ausführungsvariante der Vorrichtung gemäß Fig. 8.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Dieselmotor 11 mit seinem Ansaugsammelrohr 12 und seinem Auspuffsammeirohr 13. An das Auspuffsammeirohr ist eine Turbine 14 angeschlossen, welche einen Verdichter 15, welcher t
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dem Kühler 16 an das Ansaugsammelrohr angeschlossen ist, antreibt. Ein Ventil 17, welches hinter dem Kühler zwischen dem 'Auspuffsammeirohr 13 und dem Ansaugsammelrohr 12 angeordnet ist, wird durch einen mit der Ansaugluft in Berührung stehenden Wärmefühler 18 über eine nicht beschriebene und in den Zeichnungen durch Strichlinien schematisch dargestellte Servo-Steuerung betätigt. Die Turbine 14 wird von den Auspuffgasen angetrieben und treibt den Verdichter 15 an, welcher durch den Kühler in das Ansaugsammelrohr komprimierte Luft liefert. Wenn die Temperatur der Ansaugluft bei schwacher Belastung des Motors zu niedrig wird, steuert der Fühler 18 das öffnen des Ventils 17, welches die Zumisch ung eines Teils der heißen Auspuffgase des Motors zur Ansaugluft und demzufolge die Erhitzung der Ansaugluft er-, möglicht.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung stellt eine Variante der soeben beschriebenen Vorrichtung dar. Der Unterschied besteht darin, daß das Ventil 17 durch ein Dreiwegeventil 19 ersetzt wird, welches in dem Ansaugsammelrohr eingebaut und durch den Fühler 18, wie im vorher beschriebenen Fall, gesteuert wird. Dieses Dreiwegeventil, welches vorzugsweise mit fortschreitender Wirkung arbeitet, ermöglicht die
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Dosierung der Mischung zwischen der Ansaugluft und den Auspuffgasen. Das Ventil 19 ist so aufgebaut, daß zwischen dem Verdichter und dem Ansaugsammelrohr ständig eine Verbindung erhalten bleibt, um die Pumpenwirkung des Verdichters zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße, in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von den vorher beschriebenen Vorrichtungen dadurch, daß der Wärmeaustausch zwischen den Auspuffgasen und der Ansaugluft über ein wärmeleitendes Hilfsmedium, wie z.B. Wasser, und nicht mehr durch die unmittelbare Mischung der Auspuffgase mit der Ansaugluft erfolgt. Diese Vorrichtung,bestehend aus dem Dieselmotor 11, der Turbine 14, dem Verdichter 15, dem Kühler 16 und dem Wärmefühler 18, umfaßt außerdem einen Wärmeaustauscher 22, dessen Eingang 20 für das erwärmende Medium mit dem Auspuffsammelrohr hinter der Turbine verbunden ist und dessen Ausgang 21 für das erhitzte wärmeaustauschende Medium, über ein gesteuertes Dreiwegeventil 23 an den Kühlmediumeingang 24 des Kühlers 16 angeschlossen ist, dessen Kühlmediumsausgang 25 über ein Dreiwegeventil 26 an den Eingang 27 für das abgekühlte wärmeaustauschende Medium des Wärmeaustauschers 2 2 angeschlossen ist. Jede Leitung 28 und 29 für das wärmeaustauschende Medium
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kann jeweils über ein gesteuertes Dreiwegeventil 30 und
31 an einen äußeren Wärmeausnützungskreis 32 angeschlossen werden. Die Ventile 23, 26, 30 und 31 sind über eine nicht beschriebene Anordnung von Servosteuerungen'durch denselben Wärmefühler 18 gesteuert. Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Beim Durchfließen des Wärmeaustauschers 22 erwärmen die Auspuffgase das wärmeaustauschende Medium* Solange die Temperatur der Ansaugluft hoch genug ist, läuft das wärmeaustauschende Medium dank der jeweiligen Stellung der Ventile 30 und 31 in dem äußeren Ausnützungskreis 32 um. Die
Ventile 23 und 26 befinden sich in einer derartigen Stellung, daß Kühlmedium durch den Kühler 16 fließt. Wenn die Temperatur der Ansaugluft wegen schwacher Belastung des Motors
zu niedrig wird, steuert der Fühler 18 die Umschaltung der Ventile 23, 26, 30 und 31, so daß das wärmeleitende Medium nicht mehr in den Kreis 32 strömt, sondern in dem Kühler das Kühlmedium ersetzt, wobei der Kühler 16 dann als Wärmeaustauscher arbeitet und die Ansaugluft erwärmt.
Die erfindungsgemäße, in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung
stellt eine Variante der eben beschriebenen Vorrichtung dar, bei welcher auf den äußeren Wärmeausnützungskreis 32 verzichtet wird. Das Ventil 30 kommt demzufolge in Fortfall und
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eine Pumpe 35 wird in den Kreis des wärmeleitenden Mediums eingesetzt, um während des Betriebes des Motors bei normalen Belastungen den Zwangsumlauf des wärmeleitenden Mediums in geschlossenem Kreis zu ermöglichen, wobei das Ventil 36 eine ständige Lecköffnung zu dem Austauscher bzw. Erhitzer 22 aufweist, um das wärmeleitende Medium auf einer annehmbaren bzw. geeigneten Temperatur zu halten.
Verschiedene Einzelheiten können in den Vorrichtungen gemäß den Fig. 3 und 4 verbessert werden und sind in Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt. Diese Verbesserungen betreffen den Anschluß des Eingangs 20 des Wärmeaustauschers 22 für das erhitzende Medium an das Auspuffsammeirohr. Gemäß der Fig. ist der Eingang 20 über ein gesteuertes, vorzugsweise mit fortschreitender Wirkung arbeitendes Dreiwegeventil 36 hinter der Turbine 14 an das Auspuffsammelrohr angeschlossen. Gemäß der Fig. 6 ist dieser Eingang 20 über ein gesteuertes, vorzugsweise mit fortschreitender Wirkung arbeitendes Drei-
vor
wegeventil 37/der Turbine an das Auspuffs ammelrohr angeschlossen. Die Ventile 36 und 37 werden selbstverständlich durch denselben Fühler 18 betätigt, und eine Verbindung zwischen dem Auspuffsammeirohr und dem Eingang 20 des Wärmeaustauschers 22 bleibt ständig erhalten, um das wärmeleitende
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Medium auf einer gewissen Temperatur zu halten. Die erfindungsgemäße, in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von den vorher beschriebenen Vorrichtungen dadurch, daß der Wärmeaustausch zwischen den Auspuffgasen und der Ansaugluft über einen drehenden Regenerierungs-Wärmeaustauscher 39 stattfindet. Diese Vorrichtung besteht aus dem Motor 11, der Turbine 14, dem Verdichter 15 und dem Kühler Gemäß der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung wird der Eingang 45 für das erhitzende Medium über ein gesteuertes Dreiwegeventil 40 hinter der Turbine an das Auspuffsamme1-rohr angeschlossen, wobei der Austauscher unmittelbar in dem Ansaugsammelrohr reihenmäßig geschaltet ist. Dieser Regenerierungs-Austauscher wird durch die Berührung mit den Auspuffgasen erwärmt und durch die Berührung mit der Ansaugluft gekühlt, wobei er im letzteren Fall seine Wärme der Ansaugluft abgibt. Das Ventil 40 wird selbstverständlich durch den Fühler 18 betätigt. Letzteres kann vorzugsweise eine ständige Lecköffnung bzw. einen stetigen Verlust aufweisen, um den Regenerierungs-Austauscher 39 auf einer annehmbaren TemperaJ tür zu halten.
Die Fig. 8 zeigt eine Variante der Vorrichtung gemäß Fig. 7, die dadurch bedingt ist, daß es nicht immer möglich ist, den
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im allgemeinen platzraubenden Regenerierungs-Austauscher 39 in dem Ansaugsamme1rohr einzubauen. Sie unterscheidet sich von der vorher beschriebenen Vorrichtung dadurch, daß der Regenerierungs-Austauscher 39 einen Eingang 46 für das erhitzende Medium aufweist, welcher mit der Außenluft in Verbindung steht, während der Ausgang für das erhitzte Medium über ein gesteuertes, in dem Ansaugsammelrohr eingebautes Dreiwegeventil 41 an das Ansaugsammelrohr angeschlossen ist. Ein Organ 47 zur Minderung der Verdichtung, welches gleichzeitig mit den Ventilen 40 und 41 betätigt wird und zwischen dem Ventil 41 und dem Verdichter 15 eingebaut ist, ermöglicht die Verbindung des Verdichters mit der Außenluft.
Die Vorrichtung arbeitet auf folgende Weise: Die durch den Eingang 46 des Regenerierungs-Austauschers 39 angesaugte Außenluft wird aufgewärmt und in das Ansaugsammelrohr eingegeben, sobald das Ventil 41 gleichzeitig wie das Organ zur Verdichtungsminderung 47, das sich öffnet, um stromabwärts jede Verdichtungserscheinung zu vermeiden, durch den Fühler betätigt wird.
Die in Fig. 9 schematisch dargestellte Vorrichtung stellt eine AusführungsVariante der Vorrichtung der Fig. 8 dar.
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Bei dieser Ausführung wird die durch den Regenerierungs-Austauscher bzw. Regenerierungs-Lufterhitzer 39 strömende Luft vor dem Kühler 16 durch ein Dreiwegeventil 48, gegebenenfalls mit fortschreitender Wirkung aus dem Ansaugsammelrohr 12 entnommen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen, nur beispielsweise dargestellten Ausführungsarten beschränkt. Es ist u.a. möglich, die Vorrichtungen gemäß den Fig. 1 oder 2 einerseits und den Fig. 3 oder 4 andererseits miteinander zu kombinierend Bei dem Beispiel gemäß Fig. 8 kann das Organ zur Verdichtungsminderung durch eine in der mechanischen Übertragung zwischen der Turbine und dem Verdichter eingebaute ausrückbare Kupplung ersetzt werden. Die Verdichtung kann auch bei Anordnung des Dreiwegeventils 40 vor der Turbine dadurch abgestellt werden, daß dieses Ventil, wenn es durch den Fühler 18 betätigt wird, den Durchfluß der Auspuffgase durch die Turbine verhindert.
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Claims (25)

  1. Patentansprüche :
    ί 1.!Verfahren zurErhitzung der Ansaugluft eines aufgeladenen Dieselmotors mit schwachem Verdichtungsgrad bei schwachen Belastungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erhitzung notwendige Wärme von mindestens einem Teil der Auspuffgase des Motors abgezogen und auf wenigstens einen Teil der Ansaugluft übertragen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Auspuffgase mit wenigstens einem Teil der Ansaugluft unmittelbar vermischt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der zur Erhitzung notwendigen Wärme mindestens einem Teil der Ansaugluft über ein wärmeleitendes Hilfsmedium übertragen wird, wobei dieses Medium seinerseits durch wenigstens einen Teil der Auspuffgase erhitzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
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    ein Regenerierungs-Austauscher durch mindestens einen Teil der Auspuffgase zur Erhitzung von mindestens einem Teil der Ansaugluft.geheizt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
    als wärmeleitendes Hilfsmedium Luft verwendet und wenigstens zu einem Teil mit wenigstens einem Teil der Ansaugluft unmittelbar gemischt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umleitung der verschiedenen an den Wärmeaustauschvorgängen beteiligten Medien in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von der z.Zt. gegebenen Temperatur der Ansaugluft selbsttätig gesteuert wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei einem Motor, der wenigstens eine Auspuffgasturbine umfaßt, die an das Auspuffsammelrohr angeschlossen und mit einem Verdichter für die Aufladeluft gekoppelt ist, dessen Ausgang gegebenenfalls über einen Luftkühler mit dem Ansaugluft-Sammelrohr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Wärmeaustausch einerseits an das eine Wärmequelle bildende Auspuffsammelrohr und andererseits an das Ansaugsammelrohr angeschlossen sind.
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  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuertes Ventil (17) zwischen dem Auspuffs amme lrohr und dem Ansaugsammelrohr geschaltet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuertes Dreiwegeventil (19) durch einen ersten Eingang mit dem Verdichter, durch einen zweiten Eingang mit dem Auspuffsammelrohr und durch einen Ausgang mit dem Ansaugsammelrohr in Verbindung steht.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das gegebenenfalls mit fortschreitender Wirkung arbeitende Dreiwegeventil eine Verbindung zwischen dem Verdichter und dem Sammelrohr dauernd aufrechterhält.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärme aus tauscher (22) durch seinen Eingang (20) für das Heizmedium mit dem Auspuffsammelrohr (13) in Verbindung steht und mit seinem Ausgang (21) für das erhitzte wärmeleitende Medium des Austauschers (22) über ein gesteuertes Dreiwegeventil (23) an den Kühlmediumeingang (24) des
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    kühlers (16) angeschlossen ist und daß der Kühlmediumausgang (24) des Kühlers (16) über ein weiteres gesteuertes Dreiwegeventil (26) an den Eingang (27) des Wärmeaustauschers für das abgekühlte wärmeleitende Medium angeschlossen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zuführ- und Rückführleitung (28, 29) des wärmeleitenden' Mediums über gesteuerte Dreiwegeventile (30, 31) an einen äußeren Ausnützungskreis (32) angeschlossen ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizmitteleingang (20) des Wärmeaustauschers (22) über ein gesteuertes Dreiwegeventil (37), welches vor der Turbine (14) in dem Auspuffs amme1rohr eingebaut ist, mit dem Auspuffsammelrohr (13) verbunden ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizmitteleingang (20) des Wärmeaustauschers über ein gesteuertes Dreiwegeventil (36) , welches vor der Turbine an die Ausgangsauspuffleitung angeschlossen ist, mit dem Auspuffsammelrohr (13) in Verbindung steht.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch
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    gekennzeichnet, daß das Ventil (36) oder (37) eine ständige Lecköffnung aufweist, damit der Wärmeaustauscher seine Temperatur behält.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil mit fortschreitender Wirkung arbeitet.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auspuffsammeirohr (13) mit dem Heizmitteleingang (20) eines drehenden Regenerierungs-Wärmeaustauschers (39) über ein gesteuertes, in der Auspuffleitung eingebautes Dreiwegeventil (40) in Verbindung steht, wobei der Austauscher in dem Ansaugsamme1rohr (12) reihenmäßig eingesetzt ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auspuffsammeirohr (13) mit dem Heizmitteleingang eines Regenerierungs-Wärmeaustauschers über ein gesteuertes, in der Auspuffleitung eingebautes Dreiwegeventil (40) in Verbindung steht, und daß der Heizmitteleingang des drehenden Austauschers mit der Außenluft in Verbindung steht, während dessen Ausgang (4) für das erhitzte Medium über ein gesteuertes, in dem Ansaug-
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    sammelrohr (12) eingebautes Dreiwegeventil (41) an das Ansaugsammelrohr angeschlossen ist.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auspuffsammeirohr (13) mit dem Heizmitteleingang eines drehenden Regenerierungs-Wärmeaustauschers über ein gesteuertes, in der Auspuffleitung eingebautes Dreiwegeventil (40) in Verbindung steht, und daß dessen Eingang für das erhitzte Medium mit dem Ausgang des Luftverdichters über ein Dreiwegeventil (48) verbunden ist, wobei dessen Ausgang für das erhitzte Medium an das Ansaugsammelrohr angeschlossen ist.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 18 mit Mitteln, die gleichzeitig wie die vorgenannten Ventile betätigt werden und zur Abstellung der durch den Verdichter eingegebenen Luft dienen.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Mittel durch ein gesteuertes Organ zur Verdichtungsminderung gebildet werden, welche zwischen dem Ventil (41) und dem Verdichter (15) in dem Luftansaugsammelrohr angeordnet ist.
  22. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Ventil (40) hinter der Turbine in der Auspuffleitung angebracht ist.
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  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Ventil (40) vor der Turbine in der Auspuffleitung eingesetzt ist.
  24. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 - 23, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der gesteuerten Ventile mit fortschreitender Wirkung arbeitet.
  25. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-24, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wärmefühler (18) umfaßt, welcher über eine Einrichtung von Servosteuerungen an wenigstens einem der genannten gesteuerten Ventile angeschlossen ist.
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