DE102008035271B4 - Method and device for processing exhaust gases (diesel engine) - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zum Verarbeiten von Abgasen für Dieselmotoren, wobei Teile einer Verbrennungskammer des Dieselmotors mit einem katalytisch aktiven Stoff beschichtet sind oder sich aus einem solchen Stoff zusammensetzen,
wobei die verschiedenen Teile der Abgasabführungsbahn weitere katalytisch aktive Stoffe aufweisen,
wobei die weiteren katalytisch aktiven Stoffe eine von dem in der Verbrennungskammer vorgesehenen katalytisch aktiven Stoff abweichende chemische Zusammensetzung aufweisen,
die Abgasabführungsbahn mehrere Turbolader oder mehrere Abgasturbinen aufweist,
wobei verschiedene Turboladerstufen der Turbolader oder der Abgasturbinen die weiteren katalytisch aktiven Stoffe aufweisen,
wobei die verschiedenen Turboladerstufen der verschiedenen Turbolader mit voneinander verschiedenen katalytisch wirksamen Stoffen beschichtet sind.
Device for processing exhaust gases for diesel engines, wherein parts of a combustion chamber of the diesel engine are coated with a catalytically active substance or are composed of such a substance,
wherein the various parts of the exhaust gas discharge path have further catalytically active substances,
wherein the further catalytically active substances have a chemical composition that differs from the catalytically active substance provided in the combustion chamber,
the exhaust gas discharge path has several turbochargers or several exhaust gas turbines,
wherein different turbocharger stages of the turbochargers or the exhaust gas turbines have the further catalytically active substances,
wherein the different turbocharger stages of the different turbochargers are coated with different catalytically active substances from one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Umweltschutz sowie die Verarbeitung von Dieselabgasen.The present invention relates to environmental protection and the processing of diesel exhaust.

Ziel:Goal:

Entwicklung einer neuen Technologie sowie eines Gerätes zur katalytischen Verarbeitung von Abgasen zwecks einer Reduzierung der Schadstoffemission und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Motors.Development of a new technology and a device for the catalytic processing of exhaust gases in order to reduce the emission of pollutants and increase the economy of the engine.

Stand der Technik:State of the art:

Die Reduktion der Schadstoffemission wird durch den Einsatz optimaler Kraftstoff-Sauerstoff/Luft-Proportion sowie optimaler Temperaturverhältnisse innerhalb der Verbrennungskammer und am Katalysator erzielt.The reduction in pollutant emissions is achieved through the use of optimal fuel-oxygen/air proportions and optimal temperature conditions within the combustion chamber and at the catalytic converter.

Es sind katalytische Reaktoren bekannt, welche Keramik- oder Metallträger mit erforderlicher KatalysatorBeschichtung verwenden.Catalytic reactors are known which use ceramic or metal supports with the necessary catalyst coating.

Jede Einrichtung besitzt ein Metallgehäuse (üblicherweise aus rostfreiem Stahl), welches eine einstöckige Struktur aus Keramik oder rostfreiem Stahl enthält. Die Struktur wird mit einem erforderlichen Katalysator beschichtet.Each device has a metal housing (usually stainless steel) which contains a ceramic or stainless steel unitary structure. The structure is coated with a required catalyst.

Ein Katalysator oxydiert CO und CnHm, der andere reduziert NOx aus den Abgasen eines Dieselmotors.One catalyst oxidizes CO and CnHm, the other reduces NOx from the exhaust gases of a diesel engine.

Wegen seiner dünnen Wände ist der Keramikträger des Katalysators spröde und geneigt zu Vibrationen oder zum Schaden (Brechen) beim Rütteln.Because of its thin walls, the ceramic support of the catalytic converter is brittle and prone to vibration or damage (breaking) when shaken.

Schäden, welche am Katalysator eintreten, können durch Schwingungseinflüsse oder Temperaturschock bei einem Kontakt mit Pfützenspritzern verursacht werden.Damage that occurs to the catalytic converter can be caused by vibration influences or thermal shock from contact with puddle splashes.

Ein Kfz-Katalysator erfüllt mehrere Funktionen. Er übernimmt nicht nur die chemische Reinigung, sondern auch Geräuschreduzierung und Bildung eines vorgesehenen Gegendruckes in der Abgasanlage.A car catalytic converter fulfills several functions. It not only takes care of chemical cleaning, but also noise reduction and creation of a planned back pressure in the exhaust system.

Moderne katalytische Anlagen sichern einen effektiven Kontakt mit dem Katalysator durch den Einsatz von Einrichtungen mit großem hydraulischem Widerstand (Nennwert Re > 10000).Modern catalytic devices ensure effective contact with the catalyst by using devices with high hydraulic resistance (rated value Re > 10000).

Die existierenden bekannten Typen von Katalysatoren haben ihre Nachteile, und zwar: hohen aerodynamischen Widerstand bei größeren Beanspruchungen, insbesondere im Falle einer zwei- oder mehrstufigen Reinigung. Der Durchflussquerschnitt der Kanäle bleibt im Laufe des Betriebs unverändert, deswegen ist die Wirbelbildung bei geringeren Durchflussmengen unzureichend, bei höheren Durchflussmengen ergibt sich überschüssiger Widerstand.The existing known types of catalysts have their disadvantages, namely: high aerodynamic resistance at higher loads, especially in the case of two- or multi-stage purification. The flow cross-section of the channels remains unchanged during operation, so the formation of vortices is insufficient at lower flow rates, and at higher flow rates there is excess resistance.

Daher wird ein Teil der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors zur Überwindung des aerodynamischen Widerstandes der Katalysatorkonstruktion nutzlos ausgegeben, was eine wesentliche Reduktion der Motorleistung und -wirtschaftlichkeit mitbringt.Therefore, part of the power output of the internal combustion engine is wasted to overcome the aerodynamic drag of the catalyst structure, bringing about a substantial reduction in engine performance and economy.

Bei Temperaturen unter optimalem Betriebstemperatur finden Verlangsamung und Verluste am Wirkungsgrad der katalytischen Reaktion statt.At temperatures below the optimum operating temperature, slowing down and losses in the efficiency of the catalytic reaction take place.

Wenn die Reaktionstemperatur höher als der optimale Wärmezustand ist, kann der Katalysator sowie dessen Keramikträger beschädigt werden (z. B. Sinterung).If the reaction temperature is higher than the optimal heat condition, the catalyst as well as its ceramic carrier may be damaged (e.g. sintering).

Der in verschiedenen Betriebsarten funktionierende Motor erzeugt Verbrennungsgase, welche unterschiedliche Temperaturen und chemische Zusammensetzungen haben.The engine, operating in different modes, produces combustion gases that have different temperatures and chemical compositions.

Die Temperatur der Abgase ändert sich ebenfalls beim Durchlaufen durch das Auspuffsystem.The temperature of the exhaust gases also changes as they pass through the exhaust system.

Im Moment gibt es keinen einheitlichen Katalysator, welcher die Reinigung der Diesel-Abgase von sämtlichen Schadstoffen ausführen würde, was eine Notwendigkeit bedingt, mehrstufige Reinigungsverfahren einzusetzen (z. B.: Bluetec für Mercedes-Benz, 3- bis 4-stufig).At the moment there is no unified catalytic converter that would clean diesel exhaust gases from all pollutants, which necessitates the use of multi-stage cleaning processes (e.g. Bluetec for Mercedes-Benz, 3- to 4-stage).

Die z. Z. bestehenden Entwicklungsarbeiten (Abgasrückführung, alternative Kraftstoffarten usw.) können nur teilweise Lösungen für diese Problematik bieten, weil der Kraftstoff trotzdem fehlerhaft brennt und die Umwelt vershmutzt wird (CO, CnHm, NOX), d. h. der Einsatz eines Katalysators ist notwendig, welcher seinerseits Verluste an Leistung und Wirtschaftlichkeit durch hydraulische Widerstände mitbringt.the z. Currently existing development work (exhaust gas recirculation, alternative types of fuel, etc.) can only offer partial solutions to this problem, because the fuel still burns incorrectly and the environment is polluted (CO, CnHm, NOX), i. H. the use of a catalytic converter is necessary, which in turn entails losses in performance and economy due to hydraulic resistance.

Bekanntes Patent ( DE 3929297 C2 ) bittet: Katalysator zur Reinigung von Abgasen insbesondere aus überstöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren und Gasturbinen aus einem einstückigen als Wabenkörper vorliegenden Abgasreinigungskatalysator, der in einem anströmseitigen Abschnitt einen Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniakgas und in einem abströmseitigen Abschnitt einen Oxidationskatalysator aufweist und als Beschichtung aus einem abströmseitigen Abschnitt eines als Vollextrudat Reduktionskatalysators aufgebracht ist.Known Patent ( DE 3929297 C2 ) asks: Catalyst for cleaning exhaust gases, in particular from over-stoichiometrically operated internal combustion engines and gas turbines, made of a one-piece exhaust gas cleaning catalyst in the form of a honeycomb body, which has a catalyst for the selective reduction of nitrogen oxides using ammonia gas in an upstream section and an oxidation catalyst in a downstream section and as a coating is applied to a downstream section of a full extrudate reduction catalyst.

Weitere dem technischen Gebiet zugehörige Gegenstände werden durch die Druckschriften US 3 855 986 A , JP H11-223 122 A und DE 100 48 237 A1 beschrieben.Further items belonging to the technical field are provided by the references U.S.A. 3,855,986 , JP H11-223 122A and DE 100 48 237 A1 described.

Bei einer bekannten Erfindung ( DE 103 35 265 A1 ) enthält ein Vorschalldämpfer mit Hydrolysekatalysator und ein Hauptschalldaempfer mit Oxidationskatalysator.In a well-known invention ( DE 103 35 265 A1 ) contains a front silencer with hydrolysis catalytic converter and a main silencer with oxidation catalytic converter.

Aufgabe:Task:

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Aufgabe, eine neue Technologie für die katalytische Abgasanlage und für die Verbrennungskammer zu entwickeln, welche die o. e. Probleme zu lösen verhilft.The present invention is based on the task of developing a new technology for the catalytic exhaust system and for the combustion chamber which has the above-mentioned. helps to solve problems.

Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Abgasanlage ohne eine separate Katalysator-Einheit und einen separaten Schaldämpfer funktionieren kann; dabei wird die Qualität der katalytischen Reinigung aufrechterhalten und noch gebessert.The advantage of this invention is that the exhaust system can function without a separate catalytic converter unit and a separate muffler; the quality of the catalytic purification is maintained and even improved.

Die Erfindung minimiert die Leisutungsabsenkung des Motors in den Betriebsarten, welche erhöhte und maximale Leistung verlangen (Aufwärtsfahren, Überholung usw.), und trägt somit zur Sicherheit, Wirtschaftlichkeit sowie zum Umweltschutz bei.The invention minimizes the power reduction of the engine in the operating modes that require increased and maximum power (climbing, overhauling, etc.), and thus contributes to safety, economy and environmental protection.

Ferner gewährleistet diese Erfindung eine qualitative Kraftstoffverbrennung bei Ausschließung der Extremtemperatur-Einheiten, was zur Reduzierung aller Schadstoffemissionen führt.Furthermore, this invention ensures qualitative fuel combustion while excluding the extreme temperature units, resulting in the reduction of all pollutant emissions.

BeschreibungDescription

Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und die Patentansprüche 2 bis 11 gelöst.The aforementioned object is achieved according to the invention by the subject matter of claim 1 and patent claims 2 to 11.

Teile des Motors und der Abgasanlage (inkl. Abgasturbolader), welche mit Abgasen in Berührung kommen, sind mit katalytisch aktiven Stoffen beschichtet (oder setzten sich aus diesen zusammen). Dies ermöglicht es, auf eine separate Katalysator-Einheit zu verzichten, die die Absenkung der Motorleistung verursacht, und die katalytische Reinigung ohne Leistungsverluste durch hydraulische Widerstände des Katalysators durchzuführen.Parts of the engine and the exhaust system (including the exhaust gas turbocharger) that come into contact with exhaust gases are coated with (or are composed of) catalytically active substances. This makes it possible to dispense with a separate catalytic converter unit, which causes the engine output to drop, and to carry out catalytic cleaning without performance losses due to hydraulic resistance of the catalytic converter.

Dabei wird die Wahrscheinlichkeit mechanischer und chemischer Beschädigungen des Katalysators reduziert.This reduces the likelihood of mechanical and chemical damage to the catalytic converter.

An den katalytischen Komponenten des Motors erfolgen Vermischung und wechselseitige Reaktion von Kraftstoff und Oxydator (z. B.: Dieselkraftstoff und Luft). Wände, Kolben und andere Teile des Motors sind mit Katalysator beschichtet oder setzen sich aus diesem zusammen.Mixing and mutual reaction of fuel and oxidizer (e.g. diesel fuel and air) take place on the catalytic components of the engine. The walls, pistons and other parts of the engine are coated with or composed of a catalyst.

Dies erlaubt es, den Verbrennungsvorgang zu verbessern, ihn vollständiger und wirtschaftlicher zu machen sowie Schadstoffemissionen (CO, CnHm, NOx, Ruß) zu reduzieren. Der Einsatz der Beschichtungen aus Katalysatoren (z. B. Oxydierungs- und anderen Katalysatoren) lässt die Bildung von Verbrennungsrückständen und sonstigen Ablagerungen auf der Oberfläche des Abgassystems sowie Abgasturboladers vermeiden. Dies erlaubt es, die Lebensdauer des Katalysators und Turboladers zu steigern sowie zum besseren Umweltschutz beizutragen.This allows to improve the combustion process, making it more complete and economical, as well as reducing pollutant emissions (CO, CnHm, NOx, soot). The use of coatings from catalytic converters (e.g. oxidation and other catalytic converters) prevents the formation of combustion residues and other deposits on the surface of the exhaust system and exhaust gas turbocharger. This makes it possible to increase the service life of the catalytic converter and turbocharger and contribute to better environmental protection.

Zur Kraftstoffersparung und Emissionsverringerung sowie zum Unterhalten der Betriebstemperatur des Katalysators wird elektrische Energie vom Generator, welcher durch den Turbolader angetrieben wird, verwendet.Electrical energy from the generator, which is driven by the turbocharger, is used to save fuel and reduce emissions as well as to maintain the operating temperature of the catalytic converter.

Der katalytische Abgasturbolader arbeitet im Temperaturbereich, der optimal für die katalytische Reaktion ist (z. B. wird elektrisch aufgewärmt).The catalytic exhaust gas turbocharger works in the temperature range that is optimal for the catalytic reaction (e.g. is heated electrically).

Die Verwendung unterschiedlich gerichteter Katalysatoren der Abgasanlage entlang erlaubt es, alle Schadstoffe aus den Auspuffgasen zu entfernen.The use of differently oriented catalysts along the exhaust system allows all pollutants to be removed from the exhaust gases.

Z. B.: Zuerst wird der Kraftstoff am Oxydationskatalysator oxydiert und anschließend, nach Zugabe eines Reduktionsmittels [NH3, CO(NH2)2 usw.], werden Stickstoffoxyde (NOx) in dem Reduktionskatalyseabschnitt entfernt.E.g.: First the fuel is oxidized on the oxidation catalyst and then, after adding a reducing agent [NH3, CO(NH2)2 etc.], nitrogen oxides (NOx) are removed in the reduction catalysis section.

Das Anschließen des Turboladers beispielsweise an einem Generator bzw. an einem anderen einstellbaren Widerstand lässt eine optimale Geschwindigkeit und einen optimalen Widerstand von Abgasströmen erreichen. Der Widerstand eines Generators bzw. sonstiger veränderlicher Widerstände wird zwecks der Erreichung eines optimalen Widerstandes im Auspuffsystem auf den Motorbetriebszustand angepasst.Connecting the turbocharger, for example, to a generator or other adjustable resistor allows for optimum speed and resistance of exhaust gas flows to be achieved. The resistance of a generator or other variable resistance is adjusted to the engine operating condition in order to achieve an optimal resistance in the exhaust system.

Dies erlaubt es, die durch den Turbolader erzeugte Energie in entsprechenden Prozessen für die Verbesserung der Motorkennwerte einzusetzen.This allows the energy generated by the turbocharger to be used in appropriate processes to improve engine parameters.

Bekannt ist ein Verfahren zur Kühlung von Turbinenschaufeln (beweglichen oder feststehenden) mit Luft, welche durch die eingearbeiteten internen Kanäle zugeführt wird und aus den spezifischen Fenster-Öffnungen hinaustritt ( RU2 294 438 C2 ).A method is known for cooling turbine blades (moving or fixed) with air, which is supplied through the incorporated internal channels and exits through the specific window openings ( RU2 294 438 C2 ).

In dieser Erfindung wird durch die o. e. Kühlfenster, welche sich an den beweglichen bzw. feststehenden Schaufeln befinden, ein chemisches Medium/eine Mischung zur Reduktion der Schadstoffemission sowie zur gleichzeitigen Kühlung der Schaufeln zugeführt.In this invention, a chemical medium/a mixture for reducing the emission of pollutants and for the simultaneous cooling of the blades is supplied through the above-mentioned cooling windows, which are located on the moving or fixed blades.

Zum Beispiel: Ein Reagens zur Emissionsherabsetzung (z. B.: Harnlösung) wird durch die Fenster an den Schaufeln in der katalytischen Turbine und/oder vor dem Katalysator zugeführt, was eine optimale Vermischung bei einem minimalen Widerstand erreichen lässt. Dies erlaubt es, die Schadstoffemissionen zu verringern.For example: An emission reduction reagent (e.g.: urinary solution) is fed through the windows on the blades in the catalytic turbine and/or in front of the catalyst, allowing optimal mixing to be achieved with minimal resistance. This makes it possible to reduce pollutant emissions.

Die Verwendung dieser Erfindung erlaubt es, die Beschleunigungskennwerte des Motors bei dessen steigender Belastung (Anfahren, Überholen usw.) zu verbessern. Dies trägt somit zur Reduktion der Störungshäufigkeit, Herabsetzung des Kraftstoffverbrauchs und dementsprechend zur Verringerung der Schadstoffemission bei.The use of this invention makes it possible to improve the acceleration characteristics of the engine when its load increases (starting, overtaking, etc.). This thus contributes to reducing the frequency of malfunctions, lowering fuel consumption and correspondingly to reducing pollutant emissions.

Claims (11)

Einrichtung zum Verarbeiten von Abgasen für Dieselmotoren, wobei Teile einer Verbrennungskammer des Dieselmotors mit einem katalytisch aktiven Stoff beschichtet sind oder sich aus einem solchen Stoff zusammensetzen, wobei die verschiedenen Teile der Abgasabführungsbahn weitere katalytisch aktive Stoffe aufweisen, wobei die weiteren katalytisch aktiven Stoffe eine von dem in der Verbrennungskammer vorgesehenen katalytisch aktiven Stoff abweichende chemische Zusammensetzung aufweisen, die Abgasabführungsbahn mehrere Turbolader oder mehrere Abgasturbinen aufweist, wobei verschiedene Turboladerstufen der Turbolader oder der Abgasturbinen die weiteren katalytisch aktiven Stoffe aufweisen, wobei die verschiedenen Turboladerstufen der verschiedenen Turbolader mit voneinander verschiedenen katalytisch wirksamen Stoffen beschichtet sind.Device for processing exhaust gases for diesel engines, wherein parts of a combustion chamber of the diesel engine are coated with a catalytically active substance or are composed of such a substance, wherein the various parts of the exhaust gas discharge path have further catalytically active substances, wherein the further catalytically active substances have a chemical composition that differs from the catalytically active substance provided in the combustion chamber, the exhaust gas discharge path has several turbochargers or several exhaust gas turbines, wherein different turbocharger stages of the turbochargers or the exhaust gas turbines have the further catalytically active substances, wherein the different turbocharger stages of the different turbochargers are coated with different catalytically active substances from one another. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Stufen der Abgasturbine mit verschiedenen Katalysatoren ausgerüstet sind.setup after claim 1 , characterized in that the different stages of the exhaust gas turbine are equipped with different catalysts. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbesserung des Katalyse-Prozesses innerhalb der Abgasabführungsbahn des Dieselmotors durch eine Verbesserungsmaßnahme ausgewählt aus der Gruppe zumindest bestehend aus Wirbelungseinsätzen, Spezialform der Abgasabführungsbahn und der optimalen Rauhigkeit sowohl der Wände, als auch des Turbinenrades des Turboladers, implementiert wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that an improvement in the catalysis process within the exhaust gas discharge path of the diesel engine by an improvement measure selected from the group consisting at least of turbulence inserts, special shape of the exhaust gas discharge path and the optimal roughness of both the walls and the turbine wheel of the Turbocharger is implemented. Einrichtung zum Verarbeiten von Abgasen für Dieselmotoren, wobei die Einrichtung in einer Abgasabführungsbahn einen Dieselmotor-Turbolader aufweist, wobei der Dieselmotor-Turbolader Kühlfenster, insbesondere Abkühlkanale, auf den Schaufeln oder dem Gehäuse oder der Welle oder einem anderen Bauteil aufweist, wobei durch die Kühlfenster ein chemisches Medium/eine Mischung zur Verringerung der Schadstoffemission der Abgasabführungsbahn zuführbar ist.Device for processing exhaust gases for diesel engines, wherein the device has a diesel engine turbocharger in an exhaust gas discharge path, wherein the diesel engine turbocharger has cooling windows, in particular cooling ducts, on the blades or the housing or the shaft or another component, a chemical medium/a mixture for reducing the emission of pollutants being able to be supplied to the exhaust gas discharge path through the cooling window. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kühlfenster ein Oxidationsmittel zur Rußentfernung einspritzt wird.setup after claim 4 , characterized in that an oxidizing agent for soot removal is injected through the cooling windows. Einrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kühlfenster ein Reduktionsmittel zur NOx-Entfernung eingespritzt wird.setup after claim 4 or claim 5 , characterized in that a reducing agent for NOx removal is injected through the cooling windows. Einrichtung zum Verarbeiten von Abgasen für Dieselmotoren wobei die Einrichtung in einer Abgasabführungsbahn einen Dieselmotor-Turbolader aufweist, wobei der Dieselmotor-Turbolader Kühlfenster auf den Schaufeln aufweist, wobei Kühlkanäle vorgesehen sind, durch die ein Kühlmedium der Abgasabführungsbahn über Kühlfenster zuführbar ist, wobei die Kühlkanäle aus einem Katalysator gefertigt oder mit einem Katalysator beschichtet sind, welcher das Kühlmedium durch endotherme/exotherme Reaktion umwandelt.Device for processing exhaust gases for diesel engines wherein the device comprises a diesel engine turbocharger in an exhaust gas discharge path, the diesel engine turbocharger having cooling windows on the blades, cooling ducts being provided through which a cooling medium can be supplied to the exhaust gas discharge path via cooling windows, wherein the cooling channels are made of or coated with a catalyst which converts the cooling medium by endothermic/exothermic reaction. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kanäle ein Oxidationsmittel zur Ruß-, CO- und CnHm- Beseitigung eingespritzt wird.setup after claim 7 , characterized in that an oxidizing agent for soot, CO and CnHm removal is injected through the channels. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kühlfenster ein Reduktionsmittel zur NOx- Beseitigung eingespritzt wird.setup after claim 7 , characterized in that a reducing agent for NOx elimination is injected through the cooling window. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhöhen der maximalen Leistung durch die Kühlfenster ein Treibstoff eingespritzt wird.Setup according to one of Claims 7 until 9 , characterized in that a fuel is injected to increase the maximum power through the cooling windows. Abgasturbolader umfassend mindestens zwei Einrichtungen gemäß den Ansprüchen 1, 4 oder 7.Exhaust gas turbocharger comprising at least two devices according to claims 1 , 4 or 7 .
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