DE2216059A1 - System zum Regeln der Luftzufuhr bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

System zum Regeln der Luftzufuhr bei Brennkraftmaschinen

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DE2216059A1 DE19722216059 DE2216059A DE2216059A1 DE 2216059 A1 DE2216059 A1 DE 2216059A1 DE 19722216059 DE19722216059 DE 19722216059 DE 2216059 A DE2216059 A DE 2216059A DE 2216059 A1 DE2216059 A1 DE 2216059A1
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Description

Dipi.-lng. H. Sauerland · Dn.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen
Patentanwälte · 4QOD Düsseldorf ■ Cecilienallee 76 - Telefon 43 27 as
27 346 3O0 März 1972
======= Il/Pf/Schn
SAAB-SCANIA AKTIEBOLAG, S-151 87 Södertäl.je, Schweden
"System zum Regeln der Luftzufuhr bei Brennkraftmaschinen"
Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Vorverdichtung arbeitende Brennkraftmaschine, und insbesondere auf ein System, bei dem die Luftzufuhr zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Brennkraftmschinen-Parametern, wie Gasdruck und Temperatur, geregelt und ausgeglichen werden, wobei das System über einen großen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine eine hohe Maschinenleistung sowie eine merkliche Reduzierung der schädlichen Verbrennungsstoffe in den Abgasen der Brennkraftmaschine gewährleistet„
Es ist an sich bekannt, für den Betrieb von hauptsächlich aus einer Turbine und einem Kompressor bestehenden Turbo— ladern die Druckenergie der Abgase auszunutzen«, Solche Auflader sind allgemein als Abgas—Turbolader bekannt und werden vorzugsweise bei Dieselbrennkraftmaschinen benutzt« In solchen Ladereinheiten wird die Druckenergie und die Wärmeenergie der Abgase in der Turbine in kinetische Energie umgewandelt, die in den Kompressor eingeleitet wird, um diesen anzutreiben. Der Kompressor saugt dabei in bekannter Weise Luft an und führt diese zu der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine g Da auf diese Weise eine größere Menge Luft zu den einzelnen Brennkraftmaschinenzylindern geleitet werden kann, als dies normalerweise während eines Saughubes
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geschieht, ist es möglich, eine größere Menge Brennstoff zu verbrennen. Auf diese Weise können der Mitteldruck der Brennkraftmaschine und deren durchschnittliche Leistung vergrößert werden, während die Vergrößerung des Volumens der Brennkraftmaschine und deren Gewicht vernachlässigbar sind.
Die von der Turbine entwickelte Leistung einer solchen mit Vorverdichtung arbeitenden, also aufgeladenen Einheit hängt in erster Linie von der Menge und Temperatur der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgase ab» In der Praxis ist die von der Turbine und dem Kompressor abgegebene Leistung bei hohen Brennkraftmaschinendrehzahlen und voller Belastung unnötigerweise hoch, während bei niedrigen Brennkraftmaschi— nendrehzahlen die von der Turbine und dem Kompressor gelieferte Leistung unzureichend ist, um genügend Luft den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuleiten, um eine günstige Drehmomentcharakteristik aufrechtzuerhalten.
Es ist ferner bekannt, in der sich von der Brennkraftmaschine zu der Aufladereinheit erstreckenden Abgasleitung einen Nachbrenner anzuordnen, dem vom Kompressor der Aufladereinheit frische Luft zugeführt wird, um durch Nachverbrennen die schädlichen Bestandteile der Abgase zu reduzieren, wobei dem Nachbrenner ferner auch Brennstoff von einer Brennstoffpumpe zugeführt wird, die durch Brennkraftmaschinen-Parameter, wie beispielsweise die Brennkraftmaschinendrehzahl, geregelt wird. Bei einem solchen System wird der Energieinhalt der Abgase und die vom Nachbrenner freigegebene Energie in Leistung der Brennkraftmaschine umgewandelt, während man die zusätzliche Energie für die Turbine der Auf— ladereinheit durch Verbrennen der verbrennbaren Bestandteile der Abgase im Nachbrenner und durch Verbrennen zusätzlichen Brennstoffs erhält.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Drehmomentcharakteristik von Brennkraftmaschinen zu ver-
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bessern, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, und zwar durch Zuführen zusätzlicher Energie und durch Reduzieren der schädlichen festen Bestandteile in den Abgasen durch Verbrennungβ Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen gelöst durch eine elektrisch betriebene Luftpumpe zum Zuführen zusätzlicher Luft zum Nachbrenner, wenn die diesem vom Kompressor zugeführte Luftmenge für eine Verbrennung unzureichend ist, so wie eine Rückführleitung zum Zurückleiten eines Teils der Abgase des Nachbrenners über die Abgasturbine zur Brennkraftmaschine„ Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird Luft entsprechend den vorgenannten Maschinenparametern in entsprechender Menge dem Nachbrenner zugeführt, so daß man ein Verbrennungsprodukt erhält, das arm an für die Umwelt schädlichen Bestandteilen und mithin sehr sauber ist. Durch das Rückführen der Abgase kann insbesondere der Anteil an Stickstoffoxyden in den Abgasen reduziert werden, und gleichzeitig wird beim Starten der Brennkraftmaschine und beim Betrieb in niedrigen Temperaturbereichen die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luft vorteilhaft vorerhitzt. Ferner erhält man eine Brennkraftmaschine, die über einen großen Drehzahlbereich eine hohe Antriebsleistung liefert. Die erforderlichen Geschwindigkeitsänderungen für eine solche Brennkraftmaschine, sofern diese in ein Fahrzeug eingebaut ist, sind gering, so daß die erfindungsgemäß ausgerüstete Brennkraftmaschine ein einfaches Getriebegehäuse einzubauen erlaubt. Allerdings ist es für die Verwirklichung der Erfindung erforderlich, daß sowohl die Brennkraftmaschine als auch die Elemente, die einen Teil des Systems bilden, so ausgebildet sind, daß sie den erhöhten Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, widerstehen und die gewünschte Funktion des Systems gewährleisten.
Es ist zweckmäßig, wenn der zwischen der Turbine der Aufladereinheit und der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine befindliche Teil der Rückführleitung ein Drosselelement auf-
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weist, das durch Brennkraftmaschinen-Parameter, wie Brenn— kraftmaschinendrehzahl, Gasdruck und Gastemperatur geregelt ist«, Auf diese Weise kann die Rückführung leicht geregelt werden«,
Es ist in der Regel weiterhin erforderlich, daß der Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine und im Nachbrenner den sich ändernden Bedingungen angepaßt werden kanne Zu diesem Zweck können unabhängig voneinander regelbare Drosselelemente im erfindungsgemäßen System angeordnet sein, um die Luftzufuhr vom Kompressor zur Brennkraftmaschine und den Luftstrom von der Luftpumpe zu regeln, wobei das letztere Element des Systems nur unter bestimmten Bedingungen arbeitet« Die Drosselelemente können beispielsweise in Gestalt von Ventilen ausgebildet sein, die durch Signale gesteuert werden, und zwar in Abhängigkeit von den Zuständen der Brennkraftmaschine, wie sie hinter dem Kompressor herrschen β Beispielsweise kommt als Zustand der Brennkraftmschine die Brennkraftmaschinendrehzahl, die Lufttemperatur und der Luftdruck in Frage. Die zusätzliche Zuführung von Brennstoff zum Nachbrenner wird ebenfalls in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Veränderung der oben genannten Bedingungen geregelt.
Alle im erfindungsgemäßen System vorgesehenen Drosseln wirken zusammen, um die gewünschte Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine zu erreichen und gleichzeitig nur eine geringe Menge der schädlichen Bestandteile in den Abgasen beizubehalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 in schematischer Darstellung eine Ausführung des erfindungsgemäßen Systems,
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2 ein Diagramm mit der Darstellung des durch das erfindungsgemäße System beeinflußten Drehmoments der Brennkraftmaschine.
In Fig,, 1 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine 1 abgebildet, von der jedoch nur ein Zylinder 2, ein Zylinderblock 3, ein Kolben 4 und eine Pleuelstange 5 dargestellt sind0 Der Zylinder 2 ist mantelgekühlt und mit einem Kühlkanal 6 versehen. In dem Zylinderblock 3» der an einem nicht dargestellten Brennkraftmaschinenblock befestigt ist und die Zylinder 2 umfaßt, befinden sich Kühlkanäle 7 und 8 sowie ein Einlaßkanal 9 zum Zuführen von Luft für die Verbrennung in den einzelnen Zylindern 2 sowie eine Auslaßleitung 10 für Abgase. Der Kolben 4 ist am oberen Ende der Pleuelstange gelenkig befestigt, um die axialen linearen Bewegungen in Drehbewegungen für eine nicht dargestellte Kurbelwelle, auf der die Pleuelstange 5 sitzt, umzuwandeln. Die Kurbelwelle ist mit einem nicht gezeichneten Schwungrad versehen, um die in den Totpunkten des Kolbens 4 auftretenden Stoßkräfte auszugleichen und die Drehbewegung der Kurbelwelle während derjenigen Phasen aufrechtzuerhalten, in denen keine Kraft auf den Kolben 4 ausgeübt wird.
Der Kolben 4 ist mit Dichtringen 11 versehen, um den Raum zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinderblock abzudichten. Der oberhalb des Kolbens 2 befindliche Teil wird als Kompressions- oder Verbrennungsraum bezeichnet, wenn der Kolben sich in seinem oberen Totpunkt befindet,, Einlasse und Auslässe dieses Raumes werden durch nicht dargestellte Ventile gesteuert, die in Abhängigkeit von der Arbeitsfolge der Brennkraftmaschine ansprechen«, Die Arbeitsweise einer Verbrennungskraftmaschine ist bekannt und besteht im wesentlichen darin, der Verbrennungskammer ein Luft—Brennstoff-Gemisch zuzuführen, das nach Entzünden und Verbrennen große Wärmemenge entwickelt, wodurch die Abgase, die während des Verbrennungsprozesses erzeugt werden, eine hohe
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Temperatur und hohen Druck erhaltene Unter dem Einfluß der Abgase wird der Kolben 4 in seinen unteren Totpunkt gedrückte Sobald der Kolben 4 in seinen oberen Totpunkt zurückkehrt, werden die Verbrennungsgase über die Auslaßlei— tung 10 ausgestoßen, wonach die Brennkraftmaschine den beschriebenen Arbeitszyklus wiederholte
Es ist bekannt, daß Abgase einer Brennkraftmaschine unvollständig verbrannte Bestandteile, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, enthalten. Durch Analyse ist festgestellt worden, daß Abgase mehrere hundert verschiedene Bestandteile enthalten, deren Prozentsätze sich in Abhängigkeit von den Betriebstzuständen der Brennkraftmaschine ändern„ In Hinblick auf Umweltschutz sind die schädlichsten Bestandteile jedoch nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde sowie Stickstoffgase. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse ist das erfind.ungsgemäße System so ausgebildet, daß die Abgase nachverbrai-Λΐ und rückgeleitet werden und die während des Nachverbrennens freiwerdende Energie wiedergewonnen und in nützlicher Weise für die Arbeit der Brennkraftmaschine ausgenutzt wird. Demgemäß umfaßt die Ausführung nach der Erfindung einen Nachbrenner 12 und eine Aufladereinheit 13, die an die Abgasleitung 10 der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Der Nachbrenner 12 ist von herkömmlicher Ausbildung und mit einer Düse 14 versehen, die an einem Ende des Nachbrenners befestigt ist. An der Auslaßleitung 10 sitzt eine Brennstoffpumpe 15, die Brennstoff in den Nachbrenner 12 einspritzen kann. Die Brennstoffpumpe 15 kann ferner in Abhängigkeit von Brennkraftmaschinen-Parametern in Betrieb und außer Betrieb gesetzt werden, wie dies bei Brennstoff— zuführeinrichtungen von Brennkraftmaschinen an sich bekannt ist. Der in den Nachbrenner 12 eingespritzte Brennstoff wird durch die Düse 14 vergast und die Brennstoff tröpfchen werden durch die unter hohem Druck von der Brennkraftmaschine 1 intermittierend abgegebenen Abgase und die über die Leitung 16 einströmende Luft mitgerissen, wonach das Ge-
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misch im Nachbrenner 12 verbrannt wircL
Um sicherzustellen, daß genügend Luft ständig dem Nachbrenner 12 zugeführt wird, um darin den Verbrennungsvorgang stattfinden zu lassen, wird dem Nachbrenner 12 eine geregelte Menge an Luft über die Leitung 16 von zwei Quellen zugeführt, deren eine die Aufladereinheit 13 und deren andere eine elektrische Luftpumpe 17 ist. Die Luftpumpe 17 ist vorzugsweise so konstruiert, daß sie bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine und bei Leerlaufdrehzahlen wirksam wird, da dann die von der Ladereinheit 13 angesaugte Luft nicht ausreicht, unter solchen Bedingungen eine vollständige Verbrennung im Nachbrenner 12 durchzuführen«, Die Luftpumpe 17 wird mit Hilfe von nicht dargestellten Steuermitteln, die durch Brennkraftmaschinen-Parameter geregelt werden, in bekannter Weise in Betrieb und außer Betrieb gesetzt. Um die Menge der von der Luftpumpe 17 und der Einlaßleitung 16 zugeführten Luft einstellen zu können, ist in einer sich zwischen der Pumpe 17 und der Leitung erstreckenden Leitung 18 ein Drosselelement 19 angeordnet, das ebenfalls durch bestimmte Brennkraftmaschinen—Parameter gesteuert wird.
Die von der Brennkraftmaschine 1 und ebenfalls vom Nachbrenner 12 erzeugte Druckenergie und Wärmeenergie wird vom Nachbrenner 12 über eine Verlängerung 20 der Auslaßleitung 10 zu der Ladereinheit 13 geleitete Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Ladereinheit 13 aus den folgenden wesentlichen Hauptteilen: einer Abgasturbine 21, einem nicht dargestellten Lagergehäuse und einem Kompressor 22. Die Turbine 21 und der Kompressor 22 sind auf ihren entsprechenden Seiten im Lagergehäuse'angeordnet, wobei eine Welle 23 das Turbinenrad mit dem Kompressorrad verbindet c Gemäß der Erfindung wird die in den Abgasen enthaltene Energie vom nachbrenner 12 in der Turbine 21 ausgenutzt, inij zwar in der Weise, daß die Abgase in bekannter Weise
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zu einem Turbinengehäuse geleitet werden, in welchem sie durch ein System von nicht dargestellten Leitschaufeln zwangsgeführt werden, bevor sie auf das Turbinenrad auftreffen, um den Gasen eine höhere Geschwindigkeit zu verleihen β Die Druckenergie der Abgase wird im Turbinenrad in kinetische Energie umgewandelt, die über die Welle 23 zu dem Kompressorrad geleitet wird.
Der Hauptteil der Abgase wird vom Turbinengehäuse über eine Auslaßleitung 27 in die Atmosphäre abgeleitet, während der verbleibende Teil der Abgase, der sich bis zu 25% der Gesamtmenge verändern kann, von dem Turbinengehäuse über eine Leitung 25 zu der Einlaßleitung 9 der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Die Rückleitung eines Teils der Abgase ist unter bestimmten Brennkraftmaschinenbedingungen vorteilhaft, beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine gestartet wird und wenn sie zum Bremsen benutzt wird. Das System nach der Erfindung bringt weitere Vorteile hinsichtlich der Reduzierung der Bestandteile an Stickstoffgasen in den Abgasenο Die Rückführung wird durch ein Drosselelement 26 geregelt, d.h. in Gestalt eines Ventils oder einer Drosselklappe, die in der Leitung 25 sitzt, wobei die Abgasrückführung ebenso wie die anderen Regelfunktionen in Abhängigkeit von den Brennkräftmaschinen-Parametern, nämlich dem Gasdruck und der Gastemperatur, geregelt werden.
Der Kompressor 22 saugt eine bestimmte Menge an Luft an, und zwar proportional zu der kinetischen Energie, die von der Turbine 21 zugeführt wird« Die Luft wird zentrisch im Kompressorrad angesaugt und radial nach außen in das Korn— pressorgehäuse über einen Diffusor gedrücktβ Der Kompressor 22 leitet die Luft über den Diffusor und die Leitung zu der Einlaßleitung 9 der Brennkraftmaschine und zu der Einlaßleitung 16 des Nachbrenners 12. In der Einlaßleitung 9 ist ein Drosselelement 28 angeordnet, das in bekannter Weise durch die Brennkraftmaschinendrehzahl, den Luftdruck
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und/oder die Lufttemperatur geregelt wird. Eine solche Regelung der Luftströmung durch die Einlaßleitung 9 der Brennkraftmaschine ist bei Dieselbrennkraftmaschinen bekannt. Das die Strömung zu der Verbrennungskammer regelnde Ventil wird durch die vorgenannten Parameter in der Weise geregelt, daß man das gewünschte Luft-Brennstoff-Gemisch erhält. In der Einlaßleitung 16 des Nachbrenners befindet sich ebenfalls ein Drosselelement 29, das gleichfalls durch die vorgenannten Brennkraftmaschinen-Parameter in einer solchen Weise geregelt wird, daß die gewünschte Menge an Luft dem Nachbrenner zugeführt wird.
Die Art der Regelung der Drosselelemente 26, 28 und 29 und die Art der Konstruktion der Regelelemente der auf die Brennkraftmaschinen—Parameter ansprechenden Mittel und der Drosselelemente können innerhalb des Rahmens der Erfindung im Umfange bekannter Lösungen geändert werden, sind also nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungen beschränkt. So ist es bekannt, die Drosselelemente in Systemen zu regeln, die mit einer elektronisch geregelten Einspritzeinrichtung ausgerüstet sind in einer Weise, daß das gewünschte Brennstoff—Luft-Gemisch erhalten wird. Obgleich nicht hierauf beschränkt, können die dargestellten und beschriebenen Drosselelemente in Verwendung mit der dargestellten Ausführung der Erfindung gezwungen werden, Positionen einzunehmen, die den vorgenannten Brennkraftmschinen— Parametern entsprechen.
Das System nach der Erfindung ist ebenfalls mit einem bekannten Katalysator 30 versehen, der in der Abgasleitung angeordnet ist. Der Zweck des Katalysators besteht darin, die vom Turbinengehäuse abströmenden Abgase einer Endbehandlung zu unterziehen«, Der Katalysator 30 dient dazu, die Abgase hauptsächlich von ihren restlichen Kohlenstoffmonoxyden, nicht brennbaren Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxyden durch chemische Prozesse zu befreien. Die Wirkung und die
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Ausbildung eines solchen Katalysators ist an sich bekannt.
In Fig« 2 ist ein Diagramm dargestellt, aus dem hervorgeht, wie das System nach der Erfindung die Drehmomentcharakteristik bei einer Brennkraftmaschine beeinflußt. Kurve A zeigt, wie die Leistung einer herkömmlichen Brennkraftmaschine sich mit der Funktion der Brennkraftmaschinendrehzahl verändert. Da ein Otto-Motor in einem großen Drehzahlbereich arbeitet, erhält ein aufgeladener Motor eine sehr nachteilige Leistungskurve für die normalen Drehzahlbereiche. Im Hinblick hierauf werden aufgeladene Otto-Motoren nur in bestimmten Sportfahrzeugen od.dgl. benutzt, die hauptsächlich bei voller Maschinenleistung und bei hohen Maschinengeschwindigkeiten betrieben werden. Für Dieselbrennkraftmaschinen gelten jedoch andere Bedingungen, da solche Maschinen in anderer Art verwendet werden, ferner wegen ihrer hohen Druckverhältnisse und k "nstigen Verbrennungsprozesse usw.,während schwere Lastkraftwagen ebenfalls mit aufgeladenen Brennkraftmaschinen ausgerüstet sind.
Kurve B in Fig. 2 stellt in gleicher Weise dar, wie sich die Maschinenleistung einer Brennkraftmaschine, die mit einem System nach der Erfindung ausgerüstet ist, über einen großen Bereich der Maschinendrehzahl vergrößert. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, gewährleistet das erfindungsgemäße System die gewünschte Maschinenleistung und das Drehmoment sowohl bei Dieselmotoren als auch bei Otto-Motoren, da die Mengen schädlicher Bestandteile in den Abgasen reduziert werden.
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Claims (1)

  1. SAAB-SCANIA AKTIEBOLAG, S-151 87 Södertäl.je, Schweden
    Patentansprüche:
    1. System zum Regeln und Ausgleichen der Luftzufuhr bei einer Brennkraftmaschine mit einer aus einer Abgasturbine und einem davon angetriebenen Kompressor bestehenden Aufladereinheit und einem in einer sich zwischen der Brennkraftmaschine und der Aufladereinheit erstreckenden Abgasleitung angeordneten Nachbrenner, der zum Verbrennen der Abgase zwecks Reduzieren der darin befindlichen schädlichen Stoffe vom Kompressor der Aufladereinheit Frischluft und von einer durch Parameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise Brennkraftmaschinendrehzahl, geregelten Brennstoffpumpe Brennstoff zugeführt erhält, gekennzeic hn e t d u r c Ii eine elektrisch betriebene Luftpumpe (17) zum Zuführen zusätzlicher Luft zum Nachbrenner (12), wenn die diesem vom Kompressor (22) zugeführte Luftmenge für eine Verbrennung unzureichend ist, sowie eine Rückführleitung (20, 25) zum Rückleiten eines Teils der Abgase des Nachbrenners (12) über die Abgasturbine (22) zur Brennkraftmaschine (1).
    2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zwischen der Turbine (22) der Aufladereinheit (13) und der Einlaßleitung (9) der Brennkraftmaschine (1) befindliche Teil (25) der Rückführleitung (20, 25) ein Drosselelement (26) aufweist, das durch Brennkraftmaschinen—Parameter, wie Brennkraftmaschinendrehzahl, Gasdruck und Gastemperatur, geregelt ist.
    3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einlaßleitung (9) der Brennkraftmaschine (1) ein unter dem Einfluß der Brennkraftmaschinen-Parameter, wie Luftdruck und Lufttemperatur, zum
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    Regeln der Luft und Gasströmung von der Aufladereinheit (13) dienendes Drosselelement (28) angeordnet ist«,
    k. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in einer sich von der Luftpumpe (17) zur Einlaßleitung (16) des Nachbrenners (12) erstreckenden Leitung (18) ein durch die Brennkraftmaschinendrehzahl geregeltes Drosselelement (19) angeordnet ist.
    ο System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselelemente (26, 28, 19) aus an sich bekannten Ventilkonstruktionen bestehen.
    6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in der Abgasleitung (10, 27) der Brennkraftmaschine (1) ein an sich bekannter Katalysator (30) zum Befreien der Abgase von schädlichen Stoffen angeordnet ist.
    209842/087S
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