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Die
Erfindung bezieht sich auf ein im Zweitaktverfahren durchzuführendes
Motorbremsverfahren für
eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
der
DE 10 2004
006 681 A1 ist ein Motorbremsverfahren für eine aufgeladene
Brennkraftmaschine bekannt, die mit einem Abgasturbolader versehen
ist, deren Abgasturbine mit einer variablen Turbinengeometrie zur
veränderlichen
Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet
ist. Um hohe Motorbremsleistungen zu erreichen, wird die variable
Turbinengeometrie in eine den freien Turbineneintrittsquerschnitt
reduzierende Stauposition verstellt, wodurch der Abgasgegendruck
im Leitungsabschnitt des Abgasstranges zwischen den Zylinderauslässen und
der Abgasturbine ansteigt. Die Motorbremsleistung wird erzeugt,
indem die Kolben in den Zylindern gegen den erhöhten Abgasgegendruck Ausschubarbeit
leisten müssen.
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Das
Motorbremsverfahren ist als Zweitaktverfahren ausgestaltet, bei
dem im Expansionstakt der Zylinder vor dem Erreichen des unteren
Totpunktes das Einlassventil geöffnet
und nach dem Überschreiten
des unteren Totpunktes wieder geschlossen wird. Im unmittelbar darauf
folgenden Kompressionstakt wird kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes
das Auslassventil geöffnet,
sodass die hochverdichtete Verbrennungsluft im Brennraum über das geöffnete Auslassventil
in den Abgasstrang entweichen kann. Nach dem Überschreiten des oberen Totpunktes
wird das Auslassventil wieder geschlossen und es beginnt ein neuer
Zyklus.
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Gemäß einer
Variante des Motorbremsverfahrens ist ein zusätzliches Bremsventil vorgesehen, das
ebenfalls in den Abgasstrang hinein öffnet und als Konstantdrossel
ausgeführt
ist, die während
der Durchführung
des Bremsverfahrens konstant in Öffnungsstellung
steht. Der gesamte Öffnungsquerschnitt
in den Abgasstrang hinein setzt sich somit aus dem Öffnungsquerschnitt
der Konstantdrossel und dem überlagerten,
phasenweise geöffneten Öffnungsquerschnitt
des Auslassventiles zusammen.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Motorbremsverfahren für eine Brennkraftmaschine anzugeben,
bei dem hohe Bremsleistungen mit einem verhältnismäßig geringen Stellaufwand für die Ladungswechselventile
erreicht werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Bei
dem im Zweitaktverfahren durchzuführenden Motorbremsverfahren,
das insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader
eingesetzt wird, wird im Expansionstakt der Zylinder vor dem Erreichen
des unteren Totpunktes das Einlassventil geöffnet, sodass Verbrennungsluft,
die vorteilhafterweise unter Ladedruck steht, in den Brennraum der
Zylinder einströmen
kann. Nach dem Überschreiten
des unteren Totpunktes wird das Einlassventil wieder geschlossen
und der Brennrauminhalt im Kompressionstakt durch die sich in Richtung oberer
Totpunkt bewegenden Kolben verdichtet. Nach dem Überschreiten des oberen Totpunktes
beginnt der Zyklus von vorne.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik wird aber das Auslassventil am
Zylinder nicht im Zweitaktzyklus geöffnet und geschlossen, sondern
bleibt während
eines gesamten Zyklus in unveränderter Position.
Das Abblasen des verdichteten Brennrauminhaltes in den Abgasstrang
erfolgt vorzugsweise über
das zusätzliche
Bremsventil, das in einer ersten Variante des Motorbremsverfahrens
konstant geöffnet
ist und in einer zweiten Variante kurz vor Erreichen des oberen
Totpunktes geöffnet
und kurz nach Überschreiten
des oberen Totpunktes wieder geschlossen wird. In beiden Varianten
erfolgt die Abblasung über
das geöffnete
Motorbremsventil, das insbesondere als Konstantdrossel ausgebildet
ist.
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Diese
Ausführung
bietet den Vorteil, dass die Position des Auslassventils während der
Durchführung
des Motorbremsverfahrens nicht verändert werden muss. Zweckmäßig verbleibt
das Auslassventil sowohl im Expansionstakt als auch im Kompressionstakt
in seiner geschlossenen Position, wobei gemäß einer alternativen Ausführung auch
ein kleiner, jedoch konstanter Hub des Auslassventils in Frage kommt.
Auf ein zyklisches Anheben und Schließen des Auslassventils kann
verzichtet werden, sodass auch keine Stellkraft für die Bewegung
des Auslassventils entgegen der sehr hohen Zylinderinnendrücke aufgewandt
werden muss. Die gesamte Luftmenge im Brennraum wird in der Kompressionsphase
des Kolbens durch die kleinen Ventilquerschnitte des Bremsventils
und ggf. auch durch den überlagerten, konstanten Öffnungsquerschnitt
des Auslassventils in den Abgasstrang gedrückt.
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Dieses
Motorbremsverfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung für mittlere
und hohe Motorbremsleistungen, die mit entsprechend hohen Zylinderinnendrücken einhergehen.
Zwar kann zur Erzielung auch niedriger Motorbremsleistungen das Auslassventil
in unveränderter
Position gehalten werden; gegebenenfalls kommt in diesem Betriebszustand
aber auch eine Variierung des Ventilhubs des Auslassventils im Zweitaktzyklus
in Betracht, was aufgrund der niedrigeren Zylinderinnendrücke mit entsprechend
geringeren Stellkräften
als bei hohen Motorbremsleistungen realisiert werden kann. Die Zuschaltung
des geöffneten,
jedoch im Hub konstant bleibenden Auslassventils kann bei hohen
Motordrehzahlen erfolgen, um den Gesamt-Öffnungsquerschnitt in den Abgasstrang
hinein zu erhöhen
und größere Motorbremsleistungen
zu ermöglichen.
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Insgesamt
kann das erfindungsgemäße Motorbremsverfahren
mit geringen Stellkräften
für die Ladungswechselventile
durchgeführt
werden. Der Hub des Auslassventils braucht nicht variiert zu werden,
die einzig erforderliche zyklische Stellbewegung führt das
Einlassventil aus, was aber mit geringen Stellkräften vollzogen werden kann,
weil die Öffnungsbewegung
des Einlassventils während
des Expansionstaktes erfolgt, bei dem nur geringe Zylinderinnendrücke herrschen.
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In
der Ausführung
mit konstantem Hub des Bremsventils muss dieses keine Stellbewegung
ausführen.
Aber auch in der Variante, in der das Bremsventil eine zyklische
Stellbewegung ausführt,
ist dies aufgrund der kleineren Dimensionierung des Bremsventils
im Vergleich zum Auslassventil mit erheblich geringeren Stellkräften durchführbar.
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Das
Zweitaktverfahren führt
im Vergleich zum Viertaktverfahren im Motorbremsbetrieb zu geringeren
Bauteilbelastungen, da im Zweitaktverfahren ein höherer Massenstrom
durch die Brennräume der
Brennkraftmaschine durchgesetzt wird, was bei vergleichbaren Motorbremsleistungen
geringere Turbineneintrittsdrücke
und geringere Turbineneintrittstemperaturen im Abgasstrang bedeutet.
Die reduzierte Belastung ermöglicht
im Vergleich zur Viertakt-Motorbremse höhere Motorbremsleistungen.
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Während der Öffnungsbewegung
des Einlassventils kann sich der Öffnungshub des Einlassventils
mit dem Öffnungshub
des Bremsventils überschneiden,
sodass bereits in den Abgasstrang ausgeschobene Verbrennungsluft über die
Brennräume der
Zylinder wieder in den Ansaugtrakt rezirkulieren kann. Der Rezirkulationsgrad
kann durch eine entsprechend konstruktive Gestaltung des Abgaskanals bzw.
Abgaskrümmers
in der Weise beeinflusst werden, dass die Ausströmung aus den Brennräumen der
Zylinder in den Austrittstrakt leichter möglich ist als die Rückströmung vom
Austrittstrakt in den Zylinder hinein (asymmetrischer, effektiver
Strömungsquerschnitt
als Funktion der Strömungsrichtung).
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Die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des Einlassventils liegen zweckmäßig innerhalb
eines 150°-Kurbelwinkelbereiches
vor dem unteren Totpunkt UT bzw. innerhalb eines 30°-Kurbelwinkelbereiches
nach dem unteren Totpunkt UT. In der Ausführung mit zyklisch verstellbarem
Bremsventil liegen die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des Bremsventils zweckmäßig innerhalb
eines 30°-Kurbelwinkelbereiches
vor bzw. nach dem oberen Totpunkt OT. Selbstverständlich kommen
sowohl für
die zyklische Bewegung des Einlassventils als auch für die ggf.
zyklische Bewegung des Bremsventils kleinere oder ggf. auch größere Kurbelwinkelabstände in Betracht.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
mit einem Zylinder der Brennkraftmaschine in vergrößerter Ansicht
einschließlich
aller Ladungswechselventile an diesem Zylinder,
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2 ein
Phasendiagramm mit den Einlass-öffnet-
und Einlass-schließt-Zeitpunkten
für das Einlassventil
während
der Durchführung
des Zweitakt-Motorbremsverfahrens
einschließlich
einer Darstellung des Verlaufs des Hubes des zusätzlichen Bremsventils, mit
dem Auslassventil in Schließposition,
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3 eine 2 entsprechende
Darstellung, im Unterschied zur 2 jedoch
mit dem Auslassventil in leicht geöffneter, konstant gehaltener
Position,
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4 4 ein
weiteres Phasendiagramm gemäß der Darstellung
nach 2, jedoch mit zyklischem Öffnungshub des Bremsventiles,
dessen Einlass-öffnet- und
Einlass-schließt-Zeitpunkte
vor bzw. nach dem oberen Totpunkt OT liegen.
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Vor
der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine – eine Diesel-Brennkraftmaschine
oder ein Ottomotor – ist
exemplarisch ein Zylinder 1 dargestellt, in dessen Zylinderkopf 3 Ladungswechselventile 5, 7 und 8 eingebracht
sind, bei denen es sich um ein Einlassventil 5, um ein Auslassventil 7 und
um ein Bremsventil 8 handelt. Das Einlassventil 5 kommuniziert
mit dem Einlasskanal 4 der Brennkraftmaschine und das Auslassventil 7 sowie
das Bremsventil 8 mit dem Abgaskrümmer 6, der mit der
Abgasleitung 16 verbunden ist. Über den Einlasskanal 4 wird
bei geöffnetem
Einlassventil 5 Verbrennungsluft in den Brennraum 9 im
Zylinder 1 eingeführt.
Nach der Kompression werden die verdichteten Gase aus dem Brennraum 9 über das
geöffnete
Auslassventil 7 und im Motorbremsbetrieb bei geöffnetem
Bremsventil 8 in den Abgaskrümmer 6 und weiter
in die Abgasleitung 16 abgeleitet.
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Die
Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 2 versehen,
der eine Abgasturbine 10 in der Abgasleitung 16 und
einen Verdichter 11 im Ansaugtrakt 20 umfasst.
Das Turbinenrad ist über eine
Welle 12 mit dem Verdichterrad drehgekoppelt. Die Abgasturbine 10 ist
mit einer variablen Turbinengeometrie 13 ausgestattet, über die
der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt 17 mit Hilfe
eines Aktuators 14 zu verstellen ist, der über Signale
einer Regel- und Steuereinheit 15 als Funktion von Zustands-
und Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine eingestellt wird. Die in der Abgasturbine 10 entspannten
Gase treten über
den Turbinenaustritt 18 aus der Abgasturbine aus. Auf der
Ansaugseite strömt
die in den Ansaugtrakt 20 angesaugte Verbrennungsluft über den Verdichtereintritt 19 in
das Verdichtergehäuse,
wird von dem Verdichterrad komprimiert und strömt anschließend über den Verdichteraustritt 21 in
den Einlasskanal 4.
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Eingezeichnet
ist in 1 ein Aktuator 22 für die veränderliche Einstellung der Hubkurve
des Bremsventiles 8. Mit Hilfe des Aktuator 22 kann
die Hubkurve des Bremsventiles 8 als Funktion von Zustands-
und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine eingestellt
werden. Entsprechende Aktuatoren sind auch für das Einlassventil 5 und
das Auslassventil 7 vorgesehen.
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Die
Motorzustands- und Betriebsgrößen zur Einstellung
des Aktuators 14 für
die variable Turbinengeometrie 13 und den Aktuator 22 für das Bremsventil 8 sowie
die weiteren, nicht eingezeichneten Aktuatoren für die weiteren Ladungswechselventile
umfassen insbesondere die Drehzahl n der Brennkraftmaschine, den
Ladedruck pL im Einlasskanal 4 und den
Turbineneintrittsdruck pE am Turbineneintritt 17. Darüber hinaus
sind als weitere Einflussgrößen die Bremsleistungsanforderung
PBr zu nennen, die der mechanischen Radbremse
PBr,R und ggf. der Handbremse PBr,H zugeführt wird,
sowie als weitere Eingangssignale die Fahrgeschwindigkeit v und
ggf. ein Gefahrensignal GS, das eine Gefahrensituation kennzeichnet.
In einem eingezeichneten Block S kann eine Sicherheitsüberprüfung der
Ladungswechselventile durchgeführt
werden, insbesondere des Bremsventiles 8, wobei im Falle
einer Fehlfunktion ein Fehlersignal F zur Anzeige gebracht wird.
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Während des
Bremsbetriebs wird die geforderte Bremsleistung zweckmäßig bevorzugt über die Motorbremse
erzeugt. Erst wenn die geforderte Bremsleistung höher ist
als die aktuell erzeugbare, maximale Bremsleistung, wird die Radbremse
vorteilhaft selbsttätig
zugeschaltet. Die Aufteilung der Bremsleistung zwischen Motorbremse
und Radbremse wird bevorzugt selbsttätig über die Regel- und Steuereinheit 15 durchgeführt.
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Die
Motorbremsleistung wird vorzugsweise im Zweitakt-Motorbremsbetrieb bereitgestellt. Hierbei wird
im Expansionstakt der Zylinder das Einlassventil 5 geöffnet, woraufhin
die Verbrennungsluft im Ansaugtrakt 20, die insbesondere
unter Ladedruck steht, über
den Einlasskanal 4 in den Brennraum 9 einströmt. Im unmittelbar
darauf folgenden Kompressionstakt wird nach dem Schließen des
Einlassventils 5 die Verbrennungsluft im Brennraum 9 komprimiert
und über
das Auslassventil 7 und/oder das Bremsventil 8 in
die Abgasleitung 16 abgeleitet. Im Motorbremsbetrieb steht
die variable Turbinengeometrie 13 in der Abgasturbine 10 zweckmäßig in ihrer Stauposition,
wodurch sich in dem Abgasleitungsabschnitt zwischen den Zylinderauslässen und
der Abgasturbine 10 ein erhöhter Abgasgegendruck einstellt,
gegen den die Kolben in den Zylindern Ausschubarbeit leisten müssen.
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In 2 ist
ein Phasendiagramm mit den Hubkurven der Einlass-, Auslass- und
Bremsventile dargestellt. Eingetragen ist die Einlassventilphase EV über einen
Kurbelwinkelbereich von 360°,
ebenso die Auslassventilphase AV und die Bremsventilphase BV. Die
zeitliche Reihenfolge der Öffnungs- und Schließzeitpunkte
ist mit Pfeilrichtung D gekennzeichnet. Das Phasendiagramm gilt
für den
Zweitakt-Motorbremsbetrieb.
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Während des
Expansionstaktes des Zylinders wird das Einlassventil kurz vor Erreichen
des unteren Totpunktes UT geöffnet.
Eingetragen ist in 2 der Einlass-öffnet-Zeitpunkt EÖ, der in
einem Kurbelwinkelbereich von etwa 30° vor Erreichen des unteren Totpunktes
UT liegt. In dieser Phase herrscht ein verhältnismäßig geringer Zylinderinnendruck,
sodass bei einem Öffnen
des Einlassventils die unter Ladedruck stehende Verbrennungsluft
in den Brennraum einströmen
kann. Nach dem Überschreiten
des unteren Totpunktes UT wird das Einlassventil zum Zeitpunkt ES
wieder geschlossen. Der Zeitpunkt ES liegt innerhalb eines 30°-Kurbelwinkelbereiches
nach dem unteren Totpunkt UT.
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Im
Kurbelwinkelbereich zwischen unterem Totpunkt UT und oberem Totpunkt
OT befindet sich die Brennkraftmaschine während des Zweitakt-Motorbremsbetriebes
im Kompressionstakt.
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Nach
dem Schießen
des Einlassventiles werden die Gase im Brennraum komprimiert. Zweckmäßig befindet
sich während
des gesamten Zyklus, also sowohl während des Expansionstaktes
als auch während
des Kompressionstaktes, das Auslassventil in seiner Schließposition.
Eingetragen ist in 2 die Auslassventilphase AV
mit dem der Schließposition entsprechenden
Hub ΔhAV = 0. Zugleich ist das Bremsventil, das
vorteilhaft als Konstantdrossel ausgeführt ist, geöffnet und befindet sich in
einer permanenten und konstanten Hubposition, was in 2 für die Bremsventilphase
BV mit dem Hub ΔhBV = konst. eingetragen ist.
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Sobald
sich die Hubbewegung des Kolbens dem oberen Totpunkt nähert, beginnt
die Ausschubphase über
den geöffneten
Strömungsquerschnitt des
Bremsventiles. Der unter hohem Druck stehende Bremsrauminhalt wird über das
geöffnete
Bremsventil in den Auslasstrakt ausgeschoben.
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Das
vorgeschriebene Motorbremsverfahren ist mit geringen Stellkräften für die Bewegung
der Ladungswechselventile durchzuführen, da sowohl das Auslassventil
als auch das Bremsventil in einer konstanten, gleich bleibenden
Position gehalten werden. Es müssen
lediglich Stellkräfte
für die
Bewegung des Einlassventils aufgebracht werden, wofür jedoch
nur ein geringes Kraftniveau erforderlich ist, da im Einlass-öffnet-Zeitpunkt EÖ kurz vor
Erreichen des unteren Totpunktes UT ein nur geringer Brennrauminnendruck
herrscht.
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Bei
der in 3 dargestellten Variante ist im Unterschied zu
dem Ausführungsbeispiel
nach 2 das Auslassventil während der gesamten Auslassventilphase
AV mit geringem Hub ΔhAV = konst. geöffnet. Auch das Bremsventil
ist während
der gesamten Bremsventilphase BV mit konstantem Hub ΔhBV = konst. geöffnet. Die Öffnungsquerschnitte von Auslassventil
und Bremsventil summieren sich zu einem Gesamtquerschnitt, über den
im Bereich des oberen Totpunktes OT in den Abgasstrang abgeblasen
wird. Der Einlass-öffnet-Zeitpunkt
EÖ und
der Einlass-schließt-Zeitpunkt
ES liegt wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel in einem Kurbelwinkelbereich
von etwa 30° vor
Erreichen des unteren Totpunktes UT bzw. nach Überschreiten des unteren Totpunktes.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 4 dargestellt. Der Einlass-öffnet-Zeitpunkt EÖ und der Einlass-Schließt-Zeitpunkt ES liegen
wiederum in einem 30°-Kurbelwinkelbereich
vor bzw. nach dem unteren Totpunkt UT. Der Einlass-öffnet-Zeitpunkt EÖ kann je
nach Optimierungsziel auch schon nach dem oberen Totpunkt OT liegen.
Das Auslassventil ist während
des gesamten Zyklus von 360° geschlossen,
dementsprechend liegt der Ventilhub ΔhAV bei dem
Wert 0. Das Bremsventil ist nunmehr aber nicht permanent geöffnet, sondern
wird nur in einem Winkelbereich von etwa 30° vor und 30° nach dem oberen Totpunkt OT
geöffnet,
in den übrigen
Phasen ist das Bremsventil geschlossen. Eingetragen ist in die Bremsventilphase
BV der Bremsventil-öffnet-Zeitpunkt
BÖ und
der Bremsventil-schließt-Zeitpunkt
BS innerhalb eines Winkelbereiches von 30° vor bzw. nach dem oberen Totpunkt
OT. Aufgrund des kleineren Querschnittes des Bremsventils ist die Öffnung des
Bremsventils mit erheblich geringeren Stellkräften durchführbar als dies bei dem Auslassventil
der Fall wäre.
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Die
dargestellte Zweitakt-Motorbremsung gemäß den Ausführungsvarianten nach den 2, 3 und 4 kann
jeweils sowohl während
des gesamten Motorbremsbetriebes als auch nur während bestimmter Phasen im
Motorbremsbetrieb durchgeführt
werden. Es kann hierbei zweckmäßig sein,
beispielsweise nur bei hohen Motordrehzahlen die Position des Auslassventiles
konstant zu halten, wohingegen bei niedrigen Motordrehzahlen das
Auslassventil ebenfalls im Zweitaktzyklus geöffnet und geschlossen werden
kann.