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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Drucklösemotorbremsen
bzw. Motorkompressionsfreigabebremsen (Motorbremsen) und insbesondere
auf eine Motorbremssteuerstrategie, die eine Überdrehzahl der Turbine unter
verschiedenen atmosphärischen
Bedingungen vermeidet.
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Technischer
Hintergrund
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Motordrucklösebremsen
bzw. Motorbremsen werden verwendet, um den Radbremsen (Betriebsbremsen)
bei der Abbremsung von schweren Fahrzeugen zu helfen und diese zu
unterstützen,
wie beispielsweise bei Traktor-Anhängern. Motorbremsen sind
wünschenswert,
weil sie dabei helfen, eine Überhitzung
der Rad- bzw. Betriebsbremsen abzumildern. Als die Konstruktion
und Technologie von Fahrzeugen vorangeschritten sind, ist die Lieferkapazität von Traktoranhängern gestiegen,
während gleichzeitig
der Rollwiderstand und der Windwiderstand abgenommen haben. Somit
besteht eine Notwendigkeit für
fortschrittliche Motorbremssysteme in heutigen Schwerlastfahrzeugen.
Als sich die Motorbremstechnologie entwickelt hat, haben sich verschiedene
Strategien herausgestellt, um die Größe der Bremsleistung zu steuern.
Bei einer Strategie gestatten elektronisch gesteuerte Motorbremsbetätigungsvorrichtungen,
daß die
Bremsleistung variiert wird, und zwar durch Variieren der Zeitsteuerung
des Abblasteils des Bremsereignisses. Anders gesagt kann weniger
als die maximal verfügbare
Bremsleistung erreicht werden, in dem man den Zeitpunkt der Öffnung des
Auslaßventils
vorschiebt, so daß das Abblasen
auftritt, bevor der Spitzendruck erreicht wird. Eine weitere Strategie
zum Variieren der Motorbremsleistung ist, einen Turbolader mit variabler
Geometrie zu verwenden, wie es beispielsweise in dem uns ebenfalls
zueigenen US-Patent 5 813 213 von Faletti u. a. gelehrt wird. Diese
Schrift lehrt die Umschaltung der Geometrie des Turboladers, um
den Druck in der Auslaßsammelleitung
zu reduzieren oder zu steigern, um die Motorbremsleistung zu verringern
bzw. zu steigern. Während
diese beiden und andere Strategien zur Steuerung der Motordruckablaßbremsleistung im
gewissen Maße
geeignet erscheinen, kann ihr Einbau bei gegenwärtigen Motor/Fahrzeug-Konstruktionen
manchmal neue Probleme mit sich bringen.
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Beispielsweise
sind Turbolader, wie irgendwelche anderen Vorrichtungen, die rotierende
Komponenten haben, ausgelegt, um bei einer gewissen vorbestimmten
Drehzahl zu arbeiten. Der Fachmann wird erkennen, daß wenn ein
Motor nicht in einem Leistungsbetriebszustand ist sondern in einem
Motorbremsbetriebszustand ist, die Turbine immer noch zur Drehung
angetrieben wird. Während
somit ein Turbolader ausgelegt ist, Zustände mit Überdrehzahl bei irgend einem
Betriebszustand mit Motorantrieb zu vermeiden, muß eine potentielle Überdrehzahl
der Turbine ebenfalls mit Bezug auf den in Betracht gezogenen Motordruckablaßbremsvorgang
unter einer Vielzahl von Bedingungen untersucht werden. Wenn die
Motorbremsleistung weiter mit derartigen Innovationen gesteigert
wird, wie beispielsweise eine Abbremsung in zwei Zyklen und/oder
eine Motorabbremsung mit zwei Ereignissen (aufgeladen) können mögliche Probleme,
die mit einer Überdrehzahl
der Turbine assoziiert sind, noch mehr hervortreten.
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Ein
weiterer Faktor, der die Turbinendrehzahl beeinflussen kann, steht
in Beziehung mit den Zuständen
der Umgebung, die die Turbine umgibt. Beispielsweise hat der Fachmann
erkannt, daß niedrigere
Umgebungsdrücke,
wie beispielsweise jene, die bei höheren Höhen auftreten, dazu tendieren,
zu verursachen, daß sich
eine Turbine schneller dreht. Die vorliegende Erfindung ist auf
diese und andere Probleme gerichtet, die mit Motoren assoziiert
sind, die sowohl mit Turboladern als auch mit Motordrucklösebremsen
bzw. Motorbremsen ausgerüstet
sind.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß eines
Aspektes weist ein Verfahren für
die Motordrucklöseabbremsung
bzw. Motorabbremsung, bei der eine Überdrehzahl der Turbine vermieden
wird, den anfänglichen
Schritt auf, zu bestimmen, ob ein Überdrehzahlzustand der Turbine vorhanden
ist. Wenn ein Überdrehzahlzustand
der Turbine vorhanden ist, dann wird der Zeitpunkt des Abblasens
der Motordrucklösebremse
bzw. Motorbremse vorgeschoben.
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In
einem weiteren Aspekt weist ein elektronisches Steuermodul Mittel
auf, um den Zeitpunkt des Abblasens während der Motordrucklöseabbremsung vorzuschieben,
wenn ein Überdrehzahlzustand
der Turbine vorhanden ist.
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Und
gemäß noch eines
weiteren Aspektes weist ein Fahrzeug ein Fahrzeuggehäuse mit
einem daran angebrachten Motor auf. Der Motor weist mindestens eine
Turbine und mindestens eine Motordrucklösebremse bzw. Motorbremse auf.
Ein elektronisches Steuermodul weist Mittel auf, um einen Zeitpunkt
des Abblasens während
der Motordrucklöseabbremsung
auf, wenn ein Überdrehzahlzustand
der Turbine vorhanden ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein logisches Flußdiagramm,
um ein Verfahren der vorliegenden Erfindung einzurichten;
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3a ist
ein erweiterter Teil des Flußdiagramms
der 2, der eine Regelungsschleifenversion (open loop)
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3b ist
ein erweiterter Teil des Flußdiagramms
der 2, außer
daß dieser
eine Steuerschleifenversion (closed loop) der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Bester Weg
zur Ausführung
der Erfindung
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Mit
Bezug auf 1 weist ein Fahrzeug 10, welches
typischerweise eine Zugmaschine mit Anhänger oder ein anderes schweres
Fahrzeug ist, ein Fahrzeuggehäuse 11 auf.
Ein Motor 13, der vorzugsweise ein Dieselmotor ist, ist
an dem Fahrzeugggehäuse 11 in
herkömmlicher
Weise angebracht. In dem Motor 13 ist mindestens eine Motordrucklösebremse
bzw. Motorbremse 19 vorgesehen, und ein Turbolader, der
eine Turbine 15 aufweist. Der Motor 13 wird in
herkömmlicher
Weise mit einem elektronischen Steuermodul 17 gesteuert,
welches verschiedene Sensoreingangsgrößen aufnimmt und Steuersignale
an verschiedene Motorkomponenten in herkömmlicher Weise überträgt. Beispielsweise
nimmt das elektronische Steuermodul 17 Umgebungsdruckdaten über eine
Kommunikationsleitung 26 von einem Umgebungsdrucksensor 20 auf.
Abgesehen von zahlreichen anderen Sensoreingangsgrößen ist das
elektronische Steuermodul 17 vorzugsweise angeschlossen,
um Daten von einem Einlaßmassenflußratensensor 21 über eine
Kommunikationsleitung 32 und von einem Einlaßsammelleitungssensor 30 über eine
Kommunikationsleitung 34 zu empfangen. Das elektronische
Steuermodul verarbeitet diese Sensordateninformationen oft durch
Zugriff für
gespeicherte Daten aus einer Speicherablageeinheit 28,
um Steuersignale von verschiedenen Untersystemen zu erzeugen, für ein Brennstoffeinspritzsystem. In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
steuert das elektronische Steuermodul 17 auch den Betrieb
der Motordrucklösebremse(n) 19 über eine
Kommunikationsleitung 24.
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In
den meisten Fällen
ist der Turbolader für einen
einzelnen Motor so ausgelegt, daß Überdrehzahlzustände der
Turbine nicht auftreten sollten, und zwar ungeachtet der Umgebungszustände oder
der Motorbetriebszustände.
Wenn ein Motor ebenfalls mit Drucklöseauslaßbremsen bzw. Motorbremsen ausgerüstet ist,
können
potentielle Probleme einer Überdrehzahl
der Turbine unter verschiedenen Bedingungen auftreten. Wenn beispielsweise
die Umgebungsdrücke
relativ gering sind, wie beispielsweise wenn der Motor auf (großer) Höhe arbeitet,
ist das Potential für
eine nicht wünschenswerte Überdrehzahl
der Turbine vorhanden. Zusätzlich
kann die potentielle Überdrehzahl
der Turbine eine Folge von einer Zwei-Takt- gegenüber einer
Vier-Takt-Motordrucklöseabbremsung
sein, und wenn weiter Motordrucklösebremstechniken bzw. Motorabbremsungstechniken
mit zwei Ereignissen oder mit aufgeladenem Motor eingesetzt werden.
In beiden Fällen
treten Druckwellen in der Turbine häufiger, mit mehr Leistung oder
mit beiden auf.
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Trotzdem
wird der Fachmann erkennen, daß die
Leistung der Motorbremse stark eine Funktion der Zeitsteuerung ist,
wann das Abblasereignis des Zylinders auftritt. Beispielsweise wird
die maximale Bremsleistung erreicht, wenn das Abblasen nahe dem
oberen Todpunkt des Kolbens auftritt. Irgend eine vorgezogene Zeitsteuerung
von diesem Abblasereignis hat natürlich weniger Bremsleistung
und eine Verringerung der Energie zur Folge, die zur Turbine während des
Abblasereignisses gesandt wird.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Flußdiagramm gemäß des bevorzugten
Verfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der Praxis
würde die
Logik des Flußdiagramms
in geeigneter Software-Programmierung vorgesehen werden, die in
dem elektronischen Steuermodul 17 eingerichtet ist (1).
Bei dem anfänglichen
Schritt wird die erwünschte
Stärke
der Motorabbremsung bestimmt. Diese Bestimmung wird eine Funktion
von bekannten Faktoren sein, wie beispielsweise der Motordrehzahl, der
Fahrzeuggeschwindigkeit, der Bremspedalposition usw. Der nächste Schritt
in dem Verfahren ist, zu bestimmen, ob ein Überdrehzahlzustand der Turbine vorhanden
ist. Diese Bestimmung 36 kann auf eine Anzahl von Arten
erreicht werden, einschließlich
der Regelungsbestimmung (open loop) 36a (3a)
und der Steuerungsbestimmung (closed loop), die gemäß der Bestimmung 36b der 3b ausgeführt wird. Der
Zweck der Bestimmung eines Überdrehzahlzustandes
der Turbine ist im allgemeinen sicherzustellen, ob die Turbinendrehzahl über einer
gewissen vorbestimmten maximalen Turbinendrehzahl ist. Der Fachmann
wird erkennen, daß diese
Bestimmung leicht vorgenommen werden kann, wenn ein Turbinendrehzahlsensor
vorgesehen wäre,
der die Turbinendrehzahldaten kontinuierlich an das elektronische
Steuermodul liefern würde.
Jedoch sind Turbinendrehzahlsensoren gewöhnlicherweise nicht in den
meisten Motorkonstruktionen vorgesehen. Trotzdem zieht die vorliegende
Erfindung die Anwendung eines Turbinendrehzahlsensors als innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung zur Anwendung bei der Ausführung der
Bestimmung 36 der Überdrehzahl
der Turbine der 2 in Erwägung.
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Wenn
kein Überdrehzahlzustand
der Turbine detektiert wird, dann führt das elektronische Steuermodul
eine Motordrucklöseabbremsung
gemäß der erwünschten
Motorabbremsung durch. Wenn ein Turbinenüberdrehzahlzustand detektiert
wird, dann wird die Abblaszeitsteuerung der Motorabbremsung zu einem
Punkt vorgeschoben, der nicht die Turbinendrehzahl übermässig groß werden
läßt, und
vorzugsweise zu einem Punkt, der eine Verringerung der Turbinendrehzahl
für darauffolgende
Motorbremszyklen zur Folge hat. Der Fachmann wird erkennen, daß die Größe der Vorstellung
des Abblaszeitpunktes zuverlässig
durch Tests und durch Vorbereitung von geeigneten Tabellen bezüglich dieser
Zeitsteuerung bestimmt werden kann. Nach dem die Größe zum Vorstellen
des Zeitpunktes bestimmt wurde, führt das elektronische Steuermodul
dann ein Motorbremsereignis mit vorgeschobenem Zeitpunkt durch.
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Mit
Bezug auf 3a könnte eine Regelungsbestimmung
(36a) eines Überdrehzahlzustandes
der Turbine einfach dadurch erreicht werden, daß man den Umgebungsdruck abfühlt und
dann den Umgebungsdruck mit einem vorbestimmten Druck vergleicht.
Beispielsweise würde
in einem Fall, wo ein Überdrehzahlzustand
der Turbine nur über
dem Meeresspiegel vorhanden ist, das elektronische Steuermodul zuerst
den Umgebungsdruck bestimmen, vorzugsweise durch Verwendung eines
geeigneten Umgebungsdrucksensors 20. Dieser Druck wird
dann mit einem vorbestimmten Druck verglichen, der einem Druck auf
Meeresspiegel entsprechen könnte.
Somit wird bei der Regelungsbestimmung (open loop) 36a ein Überdrehzahlzustand
der Turbine einfach dadurch detektiert, daß man den Umgebungsdruck mit
einem vorbestimmten Druck vergleicht, wie beispielsweise mit dem
Druck auf Höhe
des Meeresspiegels.
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In
einem solchen Fall könnte
die Größe von irgend
einer Vorstellung des Zeitpunktes einfach eine Funktion der Differenz
zwischen dem Umgebungsdruck und dem vorbestimmten Druck sein. Wenn
beispielsweise das Fahrzeug bei einer Höhe von 10.000 Fuß arbeiten
würde,
dann könnte
das elektronische Steuermodul eine Vorstellung des Abblaszeitpunktes in
der Grö ßenordnung
von ungefähr
10° berechnen. Die
Größe der Vorstellung
des Zeitpunktes könnte auf
einer Nachschautabelle basieren oder möglicherweise auf einer einfachen
Gleichung basierend auf einem vorherigen Test. Der Fachmann wird
erkennen, daß diese
Strategie eine Regelungssteuerung (open loop) gegen eine Überdrehzahl
der Turbinen vorsieht, da die Turbinendrehzahl niemals bestimmt wird,
jedoch trotzdem eine Überdrehzahl
der Turbine verhindert wird, da man sich auf vorherige Tests verläßt, um die
Vorstellungen des Abblaszeitpunktes zu bestimmen, die nötig sind,
um eine Überdrehzahl
der Turbine zu verhindern. Die Vorstellungen des Zeitpunktes reduzieren
vorzugsweise die Turbinendrehzahl zurück auf akzeptable Pegel.
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Bei
der Bestimmung 36b des Überdrehzahlzustandes
der Turbine der 3b kann das Verfahren als gesteuert
(closed loop) angesehen werden, da verschiedene abgefühlte Variablen
verwendet werden, um die tatsächliche
Turbinendrehzahl abzuschätzen.
Insbesondere verwendet diese Strategie verfügbare Sensoreingangsgrößen, um
die tatsächliche
Turbinendrehzahl in einem Schritt 38 zur Bestimmung der
Turbinendrehzahl abzuschätzen.
Der Fachmann wird erkennen, daß wenn
die verschiedenen Spezifikationen eines gegebenen Turboladers bekannt
sind, man die Turbinendrehzahl als eine Funktion des Umgebungsdruckes,
der Einlaßmassenflußrate und
des Einlaßdruckes
abschätzen
kann. Der Schritt 38 zur Bestimmung der Turbinendrehzahl kann
basierend auf dem Zugriff auf eine dreidimensionale Nachschautabelle
erreicht werden, die eine Funktion des Umgebungsdruckes, der Einlaßmassenflußrate und
des Einlaßdruckes
ist. Diese Nachschautabelle würde
vorzugsweise durch einen Test erzeugt werden und könnte an
einer Speicherablagestelle 28 gespeichert werden, auf die
das elektronische Steuermodul zugreifen kann (1).
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Bei
dieser Steuerungsstrategie wird die abgeschätzte Turbinendrehzahl mit einer
vorbestimmten Turbinendrehzahl verglichen. Wenn die Turbinendrehzahl
unter der vorbestimmten Drehzahl ist, dann wird die Motordrucklöseabbremsung
bzw. Motorabbremsung gemäß der erwünschten
Abbremsung ausgeführt.
Wenn die Turbinendrehzahl hoch ist, dann wird eine Vorstellung des
Abblaszeitpunktes bestimmt, und ein Motorbremsereignis mit vorgeschobenem
Zeitpunkt wird ausgeführt.
Bei der Steuerungsstrategie der 3b wird
die Größe der Vorstellung
des Abblaszeitpunktes vorzugsweise als eine Funktion der Differenz
zwischen der abgeschätzten
Turbinendrehzahl und der vorbestimmten Turbinendrehzahl berechnet.
Beispielsweise könnte man
erwarten, daß die
Größe der Vorstellung
des Zeitpunktes ansteigt, wenn die Differenz zwischen der abgeschätzten Turbinendrehzahl
und der vorbestimmten Turbinendrehzahl ansteigt. Der Fachmann würde erkennen,
daß diese
letztere Steuerungsstrategie wahrscheinlich eine viel genauere Steuerung gegen
eine Überdrehzahl
der Turbine vorsieht, dies jedoch auf Kosten dessen tut, daß man mehr
Sensoren vorsehen muß,
mehr Daten verarbeiten muß und mehr
vorgespeicherte Daten benötigt,
als jene, die in der einfachen Korrekturstrategie basierend nur
auf dem Umgebungsdruck erforderlich sind.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung findet mögliche Anwendung
bei irgend einem Fahrzeug, welches einen Motor besitzt, der einen
Turbolader und mindestens eine Motordrucklösebremse bzw. Motorbremse aufweist.
Bei den meisten von diesen Anwendungen werden keine zusätzlichen
Komponenten benötigt, um
die Erfindung auszuführen.
Stattdessen können wenige
Dinge zu der Programmierung des elektronischen Steuermoduls eingerichtet
werden, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Darüber hinaus
kann das Ausmaß der
erneuten Programmierung des elektronischen Steuermoduls abhängig von
der erwünschten
Genauigkeit der Ergebnisse variiert werden. Der Fachmann wird erkennen,
daß irgend
eine Vorstellung des Abblaszeitpunktes entsprechend weniger Bremsleistung
zur Folge hat. Somit erfordert die Ausführung der vorliegenden Erfindung
implizit einen Kompromiß zwischen
der erwünschten
Bremsleistung und einem Wunsch, eine Beschädigung des Turboladers durch eine Überdrehzahl
der Turbine zu vermeiden. Die unterschiedlichen offenbarten Regelungs-
und Steuerungsstrategien zur Ausführung der Erfindung haben notwendigerweise
Einfluß auf diesen
Kompromiß. Beispielsweise
würde die
Regelungsstrategie (open loop), die einfach auf der Messung des
Umgebungsdruckes und dem Vergleich von diesem mit einem vorbestimmten
Druck beruht, wahrscheinlich die Einrichtung von Vorstellungen des
Abblaszeitpunktes zur Folge haben, die größer als benötigt sind, um ein erwünschtes
Vertrauensniveau zu haben, daß die Strategie
erfolgreich wäre,
und zwar auch in Anwesenheit von anderen Variablen, die die Turbinendrehzahl
beeinflussen könnten.
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Somit
wird der Fachmann erkennen, daß die vorliegende
Erfindung in einem weiten Bereich von Stufen einer komplizierteren
Ausführung
eingerichtet werden könnte,
und zwar abhängig
von der erwünschten
Genauigkeit des Ergebnisses. Beispielsweise wird der Fachmann erkennen,
daß der
einfachere Ansatz, der in 3a veranschaulicht
ist, der auf der Messung des Umgebungsdruckes beruht, eine übermäßige Begrenzung
der Motorbremsleistung zur Folge haben könnte. Trotzdem ist es wahrscheinlich,
daß in
den meisten Fällen
die maximale Vorstellung des Abblaszeitpunktes selten ungefähr 10° des Kurbelwellenwinkels überschreiten
würde, auch
bei relativ extremen Höhen,
wie beispielsweise 10000 Fuß.
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Bei
der komplizierteren Strategie wird die Turbinendrehzahl tatsächlich abgeschätzt, und
die Vorstellung des Abblaszeitpunktes könnte als eine Funktion der
gegenwärtigen
Turbinendrehzahl berechnet werden. Der Fachmann wird erkennen, daß eine solche
kompliziertere Strategie durch das Vorsehen eines Turbinendrehzahlsensors
vereinfacht werden könnte,
um Datenverarbeitungsstrategien zur Abschätzung der Turbinendrehzahl
basierend auf verfügbaren
Sensordaten zu vermeiden. Zusätzlich wird
der Fachmann erkennen, daß ein
Höhensensor für den Umgebungsdrucksensor
eingesetzt werden könnte,
der mit Bezug auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel veranschaulicht
wurde. Es wird vorhergesehen, daß die Kurve der Vorstellung
des Abblaszeitpunktes von der Meereshöhe in exponentieller Weise
ansteigen würde,
und zwar ähnlich
der exponentiellen Weise, in der der Luftdruck mit der Höhe abfällt.
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Es
sei bemerkt, daß die
obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und
nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgend einer Weise
einschränken
soll. Während
beispielsweise die vorliegende Erfindung so veranschaulicht worden
ist, daß sie
einen Umgebungsdrucksensor verwendet, wird der Fachmann erkennen,
daß stattdessen
ein Höhensensor
eingesetzt werden könnte.
Während
zusätzlich
die Erfindung so veranschaulicht worden ist, daß sie verfügbare Komponenten verwendet,
wird der Fachmann erkennen, daß die
Ausführung
der vorliegenden Erfindung in gewissen Fällen vereinfacht werden könnte, wenn man
einen zusätzlichen
Sensor vorsieht, wie beispielsweise einen Turbinendrehzahlsensor.
Der Fachmann wird erkennen, daß andere
verfügbare Sensoreingangsgrößen verwendet
werden könnten, um
die vorliegende Erfindung auf einer gewissen höheren Stufe einer komplizierten
Ausführung
einzurichten. Somit wird der Fachmann erkennen, daß andere
Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung aus einem Studium der
Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden können.