DE2849945C2 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

wobei der Abgasturbolader derart dimensioniert ist, daß bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine kein Betrieb der Brennkammer erforderlich ist, d. h. lediglich eine zur Bereitstellung der Brennkammer erforderliche minimale Verbrennung aufrecht erhalten werden muß, und bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine, bzw. bei deren Beschleunigung, die Brennkammer mit voller Leistung zu betreiben ist, dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Nebenstromleitung (38) stromaufwärts der Brennkammer (46) in die Abgasleitung (28) der Brennkraftmaschine (12) mündet;

e) das Steuerventil (40) bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine (12) schließbar ist; und

f) die Brennstoffdüse (66) an ihrem Eintrittsende (80) eine Vielzab;¹. von u-Mer einem Winkel auf ihre Achse gerichteten Gasstrahlöffnungen (85) besitzt und stromabwärr in bezug auf die Gasstrahlöffnungen (85) in ihrem Zylindermantel (74) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung zum Inneren der Brennstoffdüse (66) durchdringenden Gaswirbelöffnungen (84) aufweist.

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2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (66) ein in ihrer Achse liegendes Zumeßrohr (83) für d&n Brennstoff aufweist, das durch eine in dem Eintrittsende (80) ausgebildete öffnung (82) aufgenommen wird, und das kurz vor dem Schnittpunkt des Gasdurchfiusses durch die Gasstrahlöffnungen (85) endet.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende der Brennstoffdüse (66) einen Austrittsteil (87) mit zunehmendem Innendurchmesser besitzt.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, und insbesondere auf eine Hilfsverbrennungseinrichtung für Verbrennungsmotoren.

Bei turbogeladenen Brennkraftmaschinen ist die volumetrische Luftaufnahme durch die Brennkraftmaschine direkt proportional der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Turbolader sind in der Lage, ein Ladeluftvolumen zu erzielen, das den Luftaufnahmebedarf der Brennkraftmaschine bzw. die Kapazität der Brennkraftmaschine während des Betriebes mit verhältnismäßig niedriger Drehzahl übersteigt. Andererseits führt während eines Betriebes der Brennkraftmaschine mit verhältnismäßig hoher Drehzahl die Brennkraftmaschine einen wesentlichen Teil der durch den Turbolader eingespeisten Ladeluft zu. Schließlich ist der Sauerstoffgehalt der Motorabgase während eines Betriebes der Brennkraftmaschine mit verhältnismäßig niedriger Drehzahl ziemlich gering und wesentlich höher, wenn die Brennkraftmaschine mit verhältnismäßig hoher Drehzahl betrieben wird.

Es sind eine große Vielfalt von Hilfsbrennereinrichtungen bei turbogeladenen Brennkraftmaschinen bekannt, um den Druckpegel der durch den Turbolader während eines Betriebes bei verhältnismäßig niedriger Drehzahl eingespeisten Ladeluft zu erhöhen und dadurch die Belastbarkeit der Brennkraftmaschine im Niedrig-Drehzahlbereich zu verbessern. Alle bekannten Hilfsbrennersysteme sind jedoch auf solche Systeme beschränkt, bei denen ein Teil der durch den Turbolader zugeführten Frischladeluft dauernd in Nebenstrom zum Hilfsbrenner geführt wird, um eine Brennerflamme aufrecht zu erhalten. Dies ist deshalb der Fall, weil diese bekannten Einrichtungen nicht in der Lage sind, eine mil Hilfsbrenner ausgerüstete, turbogeladene Brennkraftmaschine so auszugestalten, daß eine Brennerflamme während bestimmter Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden kann, ohne daß frische Nebenstromluft für die BrentiStoffzerstäubung erforderlich ist.

Aus der DE-OS 24 56 837 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine vor die Abgasturbine geschalteten Brennkammer, in der eine zylindrische Brennstoffdüse mit pneumatischer Zerstäubung und axialer Brennstoffzufuhr angeordnet ist, einer die Brennkraftmaschine umgehenden Nebenstromleitung zur Lieferung eines Teils der Ladeluft an die Brennkammer, und einem in der Nebenstromleitung angeordneten Steuerventil bekannt. Hierbei wird Frischluft über eine Leitung dauernd einer Einspritzvorrichtung zugeführt.

Des weiteren ist aus der UV?S 3163 984 eine ähnliche Hilfsbrennereinrichtung bekannt, bei der Frischluft zur Aufrechterhaltung einer Brennerflamme im Nebenstrom zum Brenner geführt werden muß. Bei Beendigung eines Nebenstrom-Luftstromes durch den Brenner wird der Betrieb der Brennkraftmaschine beendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine gesteuerte, brennstoffwirksan?£ Verbrennung in einem in Serienbetrieb arbeitenden Brenner aufrechtzuerhalten, ohne daß das kontinuierliche Einspeisen von frischer Ladeluft in den Brenner erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 erreicht.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Kraftstoffeinspritzung nach vorliegender Erfindung schneiden sich eine Vielzahl von radial nach innen im Winkel angeordneten axial verlaufenden Gasauftreffstrahlen an einer Stelle etwa am Ende einer Brennstoffleitung innerhalb einer Brennstoffdüse. Diese sich schneidenden Gasstrahlen nehmen sofort aus der Brennstoffleitung austretenden Brennstoff auf und beginnen ihn zu dispergieren. Auch treten eine Vielzahl von tangential orientierten Gaswirbelstrahlen in die Brennstoffdüse ein und wirken mit den Auftreffstrahlen so zusammen, daß dem Brennstoff bei der Zerstäubung eine Wirbel-Geschwindigkeitskomponente erteilt wird.

Diese Gaswirbelstrahlen treten in die Brennstoffdüse im wesentlicher; an der Schnittstelle der Auftreffstrahlen ein. Die Verhinderung des Nebenluftstromes bei einem Betrieb mit verhältnismäßig hoher Drehzahl ermöglicht einen wesentlich effektiveren Betrieb in einem breiteren Bereich bei hoher Drehzahl, da der Turbolader nicht einen Teil seiner Energie benötigt, um lediglich eine Flamme in der Brennkammer aufrecht zu erhalten.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung,

Fig.2 in vergrößertem Maßstab einen vertikalen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine nach F i g. 1, F i g. 3 einen vertikalen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig.Z

Die Abgasturbolader-Verbrennungsanlage 10 nach der Erfindung ist in F i g. 1 in Verbindung mit einer turbogeladenen Brennkraftmaschin«: 12, z. B. einem turbogeladenen Dieselmotor dargestellt. Der Motor Ί2 weist einen Brennstoffeinlaß 13 und ein Ladeluft-Saugrohr 14 auf; Brennstoff und Luft werden über den Einlaß 13 und das Saugrohr 14 in entsprechender Weise gemischt, damit das gewünschte Luft-Brennstoff-Gemisch für die Verbrennung im Motor 12 erzielt wird. Die in das Saugrohr eingespeiste Ladeluft ist Luft, die durch ein Luftfilter 18 geführt ist und die von einem Verdichter 20 eines Turboladers 22 auf Überatmosphärendruck komprimiert wird. Die komprimierte Ladeluft wird über eine Rohrleitung 24. die zweckmäßigerweise einen Nachkühler 26 zur Herabsetzung der Temperatur der Ladeluft aufweisen kann, mit dem Saugrohr 14 gekoppelt

Die Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Motor 12 ergibt Abgase verhältnismäßig hoher Temperatur. Diese Gase werden in einem Auspuffrohr 16 gesammelt und durch eine Abgasleitung 28 an eine Turbine 30 des Turboladers 22 abgegeben. Die Abgase treiben die Turbine 30 an, bevor sie über eine Auspuffleitung 32 ins Freie gelangen. In der Auspuffleitung 32 können in an sich bekannter Weise ein oder mehrere Reinigungs- oder Schalldämpfvorrichtungen 34 vorgesehen sein. Die umlaufende Turbine 30 ist mit dem Verdichter 20 durch eine geneinsame Welle 36 gekoppelt wobei die Turbine 30 den Verdichter 20 antreibt um komprimierte Ladeluft für den Motor bereitzustellen.

Der Turbolader 22 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß er an den Luftdurchflußbedarf des Motors bei maximaler Betriebsbedingungen angepaßt ist, ohne daß ein viel zu hoher Luftdurchfluß oder Ladedruck erzielt wird. Dies bedeutet daß dann, wenn der Motor mit verhältnismäßig hoher Drehzahl und hoher Belastung betrieben wird, die volumetrischen Luftdurchfiuß- u.id Ladedruck-Anforderungen des Motors zur Aufrechterhaltung der Drehzahl und der Belastung ein Maximum sind Bei diesem Betriebszustand ist der Energiepegel der Auspuffgase, die aus dem Motor austreten, &o genügend hoch, um den Turbolader 22 anzutreiben, wobei der Verdichter 20 den notwendigen Luftdurchfluß und Ladedruck ergibt Wenn die Motordrehzahl jedoch auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert abfällt, fällt der Energiepegel der Motorauspuffgase entsprechend ab. Der Ener^iepegel der Auspuffgase bei einer derartig niedrigen Nfo'ordrehzahl reicht nicht zum Antrieb des Turboladers aus. um den erforderlichen Verdichterladedruck /ur Beibehaltung des Motordrehmomentes zu erzeugen, Deshalb weist die Verbrennungsanlage 10 nach der Erfindung eine Gasturbine zur Ergänzung des Energiepegels von Gasen auf, die zum Antrieb des Turboladers 22 bei geringen Motordrehzahlen eingespeist werden, wobei der Verdichterladedruck auf einem vorbestimmten Pegel bei niedrigen Motordrehzahlen gehalten wird, um die die Motorbelastung aufnehmende Kapazität aufrechtzuerhalten.

Bei der Verbrennungsanlage 10 nach der Erfindung übersteigt die volumetrische Luftdurchflußabgabe des Turboladers die Luftdurchflußkapazität des Motors, wenn der Motor bei verhältnismäßig geringer Drehzahl und/oder Belastung betrieben wird. Dies bedeutet, daß insbesondere bei hohen Motordrehzahlen eine Ergänzung des Auspuffgaseinergiepegels nicht erforderlich ist, weil der Turbolader 22 den Luftdurchfluß zum Motor etwa der vom Motor verbrauchten Menge angepaßt eingespeist wird. Wenn die Drehzahl jedoch abfällt, arbeitet die Verbrennungsanlage in in der Weise, daß der Ladedruck des Turboladers aufrechterhalten wird, wobei Ladeluft in den Motor über Jie vom Motor verbrauchte Menge hinaus eingespeist wird.

Wie in F i g. 1 dargestellt, weist die Verbrennungsanlage nach der Erfindung eine Nebenstromleitung 38 auf, die dl·. Luftspeiseleitung 24 und die Abgasleitung 28 miteinander verbindet, damit in gesteuerter Weise der überschüssige Teil aer Ladeluft um den Motor 12 zur Auspuffleitung für die Ergänzung des Gasenergiepegels im Nebenschluß geführt wird, wie nachstehend erläutert wird. Ein Nebenstrom-Ventil 40 kann die Nebenstrom-Leitung 38 zum gesteuerten öffnen und Schließen der Nebenstrom-Leitung für den Gasdurchfluß in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen unterbrechen. Bei einer Ausführungsform weist das Nebenstrom-Ventil 40 ein Steuerventil auf, das in Abhängigkeit von der Position eines vom Bedienenden gesteuerten Schalters 42 geöffnet und geschlossen wird und enthält ein Rückschlagventil 44, das den Durchgang von Abgasen in der Abgasleitung 28 durch die Nebenstrom-Leitung 38 zur Ladeluft-Speiseleitung 24 verhindert. Falls erwünscht, kann andererseits das Steuerventil 40 automatisch auf Motorparameter, z. B. die Motordrehzahl ansprechen. Ferner kann bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Solenoidteil des Nebenstrom-Ventiles weggelassen werden, wenn die Anlage so ausgelegt ist, daß überschüssige Luft, die über die Nebenstrom-Leitung 38 geführt wird, bei hohen Motordrehzahlen aufgrund des Motorluftdurchflußverbrauches nicht zur Verfügung steht.

Die Verbrennunjsanlage 10 nach der Erfindung weist eine Zusatz- oder Hilfs-Brennkammer 46 auf, die in Reihe mit der Abgasleitung 28 stromabwärts in bezug .?uf jie Nebenstrom-Leitung 38 eingeschaltet ist. Die Brennkammer 46 wird mit Brennstoff, z. B. Dieselkraftstoff, über die Brennstoffleitung 48 gespeist. Der Brennstoff wird in der Brennkammer 46 mit hindurchströmenden Gasen gemischt, die die Abgase und zur Verfügung stehende Ladeluft enthalten, welche durch die Nebenstrom-Leitung 38 geführt wird. Das resultierende Dampfgemiseh weist ausreichende Mengen an Sauerstoff auf, wobei das Gemisch in der Brennkammer 46 entzündbar ist, um die Temperatur der hindurchströmenden Gase und damit den Energiepegel der Gase zu erhöhen, die für ien Antrieb der Turbine 30 bei Betriebsbedingungen mit geringer Motordrehzahl zur Verfügung stehen. Auf diese Weise wird der Ladedruck des Verdichters 20 erhöht um die Belastbarkeit des

Motors bei verhältnismäßig hohem Pegel aufrechtzuerhalten.

Die Brennkammer 46 ist im einzelnen in Fig. 2 gezeigt. Sie weist ein zylindrisches Gehäuse 50 auf, das in Reihe mit der Abgasleitung 28 angeordnet ist. Das stromaufwärts gelegene Ende des Gehäuses 50 ist durch eine kegelstumpfförmigc. konische Endkappe 52 verschlossen, die mit dem Gehäuse beispielsweise verschweißt ist, und die sich in Richtung der Längsachse des Gehäuses erstreckt. Die konische Endkappe 52 ist in einem Gaseintritts- und -mischteil 53 des Gehäuses so positioniert, daß ein Gemischsammeiraum für Abgase und frische Ladeluft, die in die Brennkammer über eine in der Wand des Behälters in der Nähe der Endkappe 52 vorgesehenen öffnung 54 eintritt, festgelegt wird. Die Abgasleitung 28 besitzt einen Flansch 56, der z. B. mittels Schrauben 51 an dem Gehäuse 50 bei entsprechend ausgerichteter Öffnung 54 verbunden ist. Die Motorabgase und vorhandene, im Nebenstrom geführte Ladeluft strömen zusammen durch die Abgasleitung 28 und treten über die öffnung 54 in die Brennkammer 46 ein. Die konische Endkappe 52 verteilt die eintretenden Gase in der Weise, daß ein verhältnismäßig gleichförmiger Mischgasstrom über den Querschnitt des Gehäuses verteilt erhalten wird.

Der größere Teil des Gasdurchflusses im Gehäuse 50 strömt in axialer Richtung längs des Gehäuses und in einen etwa zylindrischen Bauteil 58, der einen Verbrennungsraum 57 ausbildet. Wie gezeigt, ist der Bauteil 58 konzentrisch innerhalb des Gehäuses 50 über um den Umfang des Bauteils 58 versetzte Halterungen 59. sowie eine ringförmige Abdichthalterung 60 am stromabwärts gelegenen Ende des Bauteils 58, aufgenommen. Die Abgase strömen in axialer Richtung längs des Gehäuses 50 zwischen Gehäuse und Bauteil 58 und dann in das Bauteil 58 in den Verbrennungsraum 57 durch eine Reihe von Durchflußöffnungen 62. die am Umfang des Bauteiles 58 in dessen Längsrichtung ausgebildet sind. Die ringförmige Abdichthalterung 60 soll verhindern, daß Gase an dem Bauteil 58 vorbeiströmen, ohne daß sie in den Verbrennungsraum gelungen. Das stromabwärts gelegene Ende des Bauteils 58 ist offen und steht mit einer sich nach außen erweiternden Ummantelung 64 in Verbindung, die zwischen Abgasleitung 28 und stromabwärts liegendem Ende des Gehäuses eingesetzt ist.

Das stromaufwärts gelegene Ende des Bauteils 58 ist im wesentlichen geschlossen, um Befestigung und Betrieb einer Brennstoffdüse 66 zu vereinfachen. Insbesondere verjüngt sich das stromaufwärts gelegene Ende des Bauteiles 58 in radialer Richtung nach innen und bildet eine Wand 68 mit einem Sitz 70 und einer zentrischen öffnung 72 zum Aufnehmen und Ausrichten der Brennstoffdüse 66. Wie in den F i g. 2 und 3 gezeigt, weist die Düse 66 einen zylindrischen oder becherförmigen Zylindermantel 74 auf, dessen eines Ende durch die zentrische öffnung 72 hindurch aufgenommen ist und dessen Längsachse mit den Längsachsen des Gehäuses 50 und des Bauteiles 58 ausgerichtet ist. Der Zylindermantel 74 besitzt einen peripheren Flansch 75, der mit der Wand 68 befestigt, z. B. verschweißt ist

Brennstoff für die Brennkammer 46 wird über die Brennstoffleitung 48 in die Düse 66 eingespeist Wie dargestellt besitzt das stromaufwärts gelegene Ende der Düse ein Eintrittsende 80 mit einer öffnung 82. die ein Zumeßrohr 83 aufnimmt welches am Ende der Brennstoffleitung 48 angeordnet ist Bei der bevorzugten Ausfühningsform der Erfindung erstreckt sich das Zumeßrohr 83 durch die öffnung 82 ein kurzes Stück in das hohle Innere der Düse längs der Achse des Bauteiles 58. Der Innendurchmesser des Rohres 83 stellt eine Brennstoffzumeßmündung dar, durch die ein dünner Brennstoffstrom projiziert wird. Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung beträgt der Mündungsdurchmesser etwa 0,75 mm, und der Brennsloffdruckabfall an der Düse ist verhältnismäßig gering, z. B. in der Größenordnung von etwa 20.6 bis 34,3 N/cm².

Wie in den F i g. 2 und 3 dargestellt, besitzt das stromaufwärts gelegene Eintrittsende 80 der Düse 66 eine Vielzahl von axial gerichteten, radial nach innen gewinkelten und einander schneidenden Gasstrahlöffnungen 85. Diese öffnungen 85 sind im gleichen Winkel um das Zumeßrohr 83 herum angeordnet und ergeben Durchlaßkanäle für einen Teil der Gase, die durch die Brennkammer 46 strömen, um den Teil der Gase in Kontakt mit dem Brennstoffstrom zu richten. Die durch die Strahlöllnungen 83 stromenden Gase schneiden sich etwas außerhalb des Endes des Brennstoffzumeßrohres 83. Auf diese Weise scheren die durch die Strahlöffnungen 85 strömenden Gase den Brennstoffstrom unmittelbar beim Verlassen des Zumeßrohres ab und brechen den Brennstoff in kleine Tröpfchen im Inneren der Düse auf, so daß ein zerstäubter Nebel aus Brennstoff und Gasen erhalten wird. Die durch die Düse strömenden Gase erteilen dem Brennstoffnebel eine axiale Geschwirniigkeitskomponente, die dazu beiträgt, das Luft-Brennstoff-Gemisch gegen den Verbrennungsraum 57 weitgehend unabhängig von dem niedrigen Brennstoffleitungsdruck anzutreiben.

Eine Reihe von tangential verlaufenden Gaswirbelöffnungen 84 sind in der Düse 66 unmittelbar stromabwärts in bezug auf die Strahlöffnungen 85 ausgebildet. Diese öffnungen 84 sind auch in gleichem Winkel um die Düse herum angeordnet und ergeben Durchflußkanäle für einen anderen Teil der Gase, der durch die Brennkammer in die Düse strömt, jede öffnung 84 ist so ausgebildet, daß durch sie hindurchströmende Gase in die Düse etwa senkrecht zur Hauptachsrichtung des Durchflusses und tangential zum Düsenquerschnitt eintreten. Demgemäß geben die öffnungen 84 Gase in das Düseninnere ab, derart, daß die Turbulenz des Brennstoffgemisches aus Gas und Flüssigkeit erhöht und das Anhaften des flüssigen Brennstoffes an den Düsenwandflächen verhindert wird. Die kombinierten Effekte der Strahlöffnungen 85 und der Gaswirbelöffnungen 84 ergeben dabei ein durchwirbeltes, stark zerstäubtes Luft-Brennstoff-Gemisch, das aus der Düse 66 als eine sich ausbreitende, konusförmige Wolke austritt. Die konische Gestalt wird durch ein Austrittsteil 87 mit einer radial nach außen verlaufenden Abschrägung verstärkt, das am Austrittsende der Düse vorgesehen ist

Das Luft-Brennstoff-Gemisch innerhalb des Bauteiles 58 wird durch eine Zündeinrichtung 86 gezündet die eine Dauerflamme erzeugt Die Verbrennung innerhalb der Brennkammer 46 erhöht die Temperatur der Gase, wodurch der Energiepegel der Gase erhöht wird, die durch die Brennkammer geführt werden, um den Energiepegel der Gase, die zum Antrieb des Turboladers 22 zur Verfugung stehen, zu erhöhen.

Brennstoff für den Motor 12 und die Brennkammer 46 wird einem Brennstoffvorrat 88 über eine Brennstoffpumpe 90 entnommen, wie in F i g. 1 gezeigt Die Pumpe 90 speist Brennstoff durch ein Filter 89 in den Motor ein, und zwar entsprechend einer Motorbrennstoffsteuerung 92, z. B. einem Brennstoffinjektionssystem, und

einem vom Bedienenden peMeuerlen Gaspedal 94 Die Piinipe 90 führt Brennstoff ferner über das filier 89 in die Brennkammer 46 entsprechend der Vorgabe der Brcnnstoffsieuerung 96 ein. die eine stromaufwärts angeordnete llilfspumpc 91. einen DurehfluHregler 93 und ein Absperrvcntl 98 besitz!. Bei der bevorzugten A.-.riihrungsform der F.rfmdung spricht die Brennstoff steuerung % auf Motorbclriebsanzeigepariimetcr an.

/. H. den "I urboladerLadedruck, um die Brennstoffein-'-,teisung in die Brennkammer zu erhohen, wenn der Ladedruck abzufallen beginnt. Somit ergibt die Brcnnkammer eine erhebliche Unterstützung des Mulurabgasenergiepegels, um den Turboluderbetrieb auf einer · er'iältnismSliig hohen Drehzahl aufrechtzuerhalten, und verhindert damit ein unerwünschtes Abfallen der Motordrehmomentleistung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche;

   1, Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

   mit

   a) einer in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine vor die Abgasturbine geschalteten Brennkammer, in dereine zylindrische Brennstoffdüse mit pneumatischer Zerstäubung und axialer Brennstoffzufuhr angeordnet ist;

   b) einer die Brennkraftmaschine umgehenden Nebenstromleitung zur Lieferung eines Teils der Ladeluft an die Brennkammer; und

   c) einem in der Nebenstromleitung angeordneten Steuerventil; π