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Die
Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine
und einem Turbocompoundsystem nach der im Oberbegriff von Anspruch
1 näher definierten Art.
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Antriebsstränge
mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Turbocompoundsystem sind
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und werden insbesondere
bei Nutzfahrzeugen eingesetzt. Das Turbocompoundsystem selbst weist
dabei wenigstens eine Nutzturbine auf, welche Energie aus dem Abgas
der Verbrennungskraftmaschine zurückgewinnt und in mechanische
Energie umwandelt. Das Turbocompoundsystem umfasst neben dieser Nutzturbine
eine Getriebeeinheit, welche diese mechanische Leistung auf eine
geeignete Drehzahl umsetzt und diese auf die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
leitet. Hierfür kann außerdem in einer günstigen
Weiterbildung eine Kupplung, insbesondere eine Turbokupplung beziehungsweise
hydrodynamische Kupplung, vorgesehen sein. Das Turbocompoundsystem
ist also in der Lage, ansonsten ungenutzte Energie aus dem Abgas
der Verbrennungskraftmaschine in mechanische Leistung umzuwandeln
und nutzbringend zur Steigerung der Leistung beziehungsweise zur
Verbesserung des Wirkungsgrads des Antriebsstranges in den Bereich
des Abtriebs der Verbrennungskraftmaschine zu leiten.
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Aus
dem Stand der Technik sind außerdem aufgeladene Verbrennungskraftmaschinen
bekannt, welche beispielsweise über einen Turbolader verfügen,
welcher die der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Zuluft
fördert und damit eine größere Luftmenge
in die Verbrennungskraftmaschine einbringen kann als es bei einer
reinen Ansaugung der Fall wäre. Der allgemeine Stand der
Technik kennt auch Kombinationen aus Turbolader und Turbocompoundsystem
in einem einzigen Antriebsstrang. Hierfür ist im Allgemeinen
die Abgasturbine des Turboladers in Strömungsrichtung der Abgase
als erste Turbine hinter der Verbrennungskraftmaschine angeordnet
und die Nutzturbine des Turbocompoundsystems schließt sich
in Strömungsrichtung der Abgase hinter der Abgasturbine
des Turboladers an.
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Aus
der
DE 102 21 563
A1 ist außerdem eine Vorrichtung zur Erhöhung
des Ladedrucks für eine Brennkraftmaschine bekannt. Diese
wird in der Art eines Turboladers über eine Abgasturbine
angetrieben. Die angetriebene Vorrichtung zur Erhöhung
des Ladedrucks kann insbesondere als Strömungsverdichter
oder auch als Kompressor ausgebildet sein, welcher mit der über
die Abgasturbine erzeugten Leistung unmittelbar angetrieben wird
und den Ladedruck der für die Verbrennung zu der Verbrennungskraftmaschine
strömenden Frischluft erhöht.
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Ähnlich
wie ein Turbolader, welcher als Fördermittel einen Strömungsverdichter
aufweist, liegt die Problematik bei diesem Aufbau darin, dass eine Erhöhung
des Ladedrucks nur dann erfolgen kann, wenn eine entsprechend hohe
Abgasmenge zur Verfügung steht. Die optimale Aufladung
der Verbrennungskraftmaschine ist also in einem derartigen Aufbau,
wie auch bei einem Turbolader, von der zur Verfügung stehenden
Abgasmenge abhängig.
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Der
allgemeine Stand der Technik kennt außerdem Aufbauten,
bei denen ein Kompressor, beispielsweise ein Schraubenkompressor
oder ein Rootsgebläse, mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine
selbst angetrieben wird. Dieser Aufbau erlaubt eine optimale Leistungsentfaltung
der Verbrennungskraftmaschine, da die Verdichtung der Ladeluft unabhängig
vom vorhandenen Abgasstrom erfolgen kann. Allerdings ist der Aufbau
energetisch nachteilig, da er zusätzliche Energie beziehungsweise
Leistung der Verbrennungskraftmaschine zur Aufladung benötigt
und die Energie im Abgas ungenutzt lässt.
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Es
ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die oben genannten
Nachteile zu vermeiden, und einen Aufbau zu schaffen, welcher einen energieoptimierten
Betrieb einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine erlaubt und
dabei eine hohe Flexibilität der Aufladung in unterschiedlichen Betriebszuständen
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1
genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem weist zur Förderung
der Zuluft zu der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise zur
Erhöhung des Ladedrucks ein Fördermittel auf,
welches erfindungsgemäß als Verdrängerlader
ausgebildet ist. Ein solcher Verdrängerlader oder Kompressor
kann beispielsweise ein Rootsgebläse, ein Schraubenverdichter
oder auch Kolbenverdichter sein. Dieser ist zum Antrieb mit der
Getriebeeinheit des Turbocompoundsystems gekoppelt und kann somit
durch zumindest einen Teil der Leistung angetrieben werden, welche
das Turbocompoundsystem aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine
entnimmt. Da das Turbocompoundsystem außerdem über
seine Getriebeeinheit mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
gekoppelt ist, um zurückgewonnene Energie, welche beispielsweise
nicht für das Fördermittel gebraucht wird, an
die Kurbelwelle abzugeben, kann in bestimmten Betriebssituationen
diese Kopplung auch andersherum genutzt werden. Dies bedeutet, dass
bei beispielsweise einem sehr geringen Abgasstrom Leistung von der
Kurbelwelle über die Getriebeeinheit des Turbocompoundsystems
zu dem Fördermittel geleitet wird, welches dann zumindest
teilweise als herkömmlicher Kompressor über die
Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Die zur Verfügung
stehende Energie aus dem Abgas wird auch in diesen Betriebssituationen
weiterhin genutzt und über das Turbocompoundsystem beziehungsweise
die Nutzturbine des Turbocompoundsystems in mechanische Leistung
umgewandelt. Die damit zur Verfügung stehende Leistung
kann dann unterstützend zum Antrieb über die Kurbelwelle
ebenfalls für den Antrieb des als Verdrängerlader
ausgebildeten Fördermittels eingesetzt werden.
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Der
erfindungsgemäße Antriebsstrang weist damit alle
Vorteile eines herkömmlichen Antriebs mit Kompressor beziehungsweise
Verdrängerlader auf, insbesondere auch deshalb, weil die
Charakteristik eines Verdrängerladers besser zur Aufladung
der Zuluft (auch Frischluft genannt) einer Verbrennungskraftmaschine
passt, als dies bei der Charakteristik eines Strömungsverdichters,
wie er beispielsweise in Turboladern eingesetzt wird, der Fall ist.
Außerdem kann über die Ankopplung des Verdrängerladers
an das Turbocompoundsystem zum Antrieb des Verdrängerladers
Leistung aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine entnommen und
genutzt werden. Liegt in bestimmten Betriebszuständen keine ausreichende
Leistung an der Nutzturbine vor, so kann außerdem Leistung
von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb oder
zur Unterstützung des Verdrängerladers genutzt
werden. Liegt dagegen in anderen Betriebssituationen an der Nutzturbine
eine höhere Energie vor als zum Antrieb des Verdrängerladers
benötigt wird, so kann diese über das Turbocompoundsystem
in an sich bekannter Art und Weise zur Kurbelwelle geleitet und
zur Verbesserung der Energieausnutzung beziehungsweise des Wirkungsgrads
des Antriebsstrangs eingesetzt werden.
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Gemäß einer
sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs ist es ferner vorgesehen, dass das Fördermittel
einem Strömungsverdichter vorgeschaltet ist.
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Bei
dieser besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Systems ist neben dem Turbocompoundsystem,
welches erfindungsgemäß einen Verdrängungslader
antreibt und mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt
ist, außerdem ein Strömungsverdichter vorgesehen.
Dieser Strömungsverdichter kann beispielsweise der Strömungsverdichter
eines herkömmlichen Turboladers sein, welcher in an sich bekannter
Ausgestaltung als erste Stufe in dem Abgasstrang angeordnet ist
und von einer Abgasturbine entsprechend angetrieben wird. Das aus
dieser Abgasturbine abströmende Abgas treibt dann die Nutzturbine
des Turbocompoundsystems, ehe es, beispielsweise über eine
Abgasnachbehandlungseinrichtung, an die Umgebung strömt.
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Dieser
Aufbau erlaubt es nun eine zweistufige Aufladung der zu der Verbrennungskraftmaschine strömenden
Zuluft zu realisieren. Dabei ist die zweite Stufe ein an sich bekannter
Turbolader. Zusätzlich zu diesem Turbolader mit der Abgasturbine
und dem Strömungsverdichter ist in Strömungsrichtung
der Zuluft vor diesem Aufbau der Verdrängerlader angeordnet.
Je nach Betriebszustand kann dann primär über
den Turbolader oder über den Verdrängerlader entsprechend
gefördert werden, so dass die unterschiedlichen Charakteristiken
der beiden Ladertypen sich bis zu einem gewissen Grad ausgleichen
bzw. ergänzen, so dass immer eine bestmögliche
Aufladung der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Aufbaus ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen
und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs;
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2 eine
zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs;
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3 eine
dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs; und
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4 eine
vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs.
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In 1 ist
ein schematisch angedeuteter Antriebsstrang 1 zu erkennen.
Der Kern des Antriebsstrangs 1 wird von einer Verbrennungskraftmaschine 2 gebildet,
welche über eine Kurbelwelle 3 Abtriebsenergie,
beispielsweise zum Antrieb eines Nutzfahrzeugs, bereitstellt. Die
Verbrennungskraftmaschine 2 weist ein Kühlsystem 4 auf,
welches einen Kühlwärmetauscher 5 und
eine Kühlmittelfördereinrichtung 6 aufweist.
In dem Kühlsystem 4 zirkuliert flüssiges
Kühlmittel, welches über eine Ventileinrichtung 7 durch
den Kühlwärmetauscher 5 oder im Bypass
um den Kühlwärmetauscher 5 geführt
werden kann. Damit lässt sich die Abkühlung und
somit die Temperatur der Verbrennungskraftmaschine 2 über das
Kühlsystem 4 steuern beziehungsweise regeln.
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Der
Verbrennungskraftmaschine 2 wird über eine Zuluftleitung 8 und
ein Fördermittel 9, welches hier als Verdrängerlader
ausgebildet ist, Zuluft (Frischluft) zur Verbrennung zugeführt.
Bevor die Frischluft in die Verbrennungskraftmaschine 2 einströmt,
durchströmt diese einen Ladeluftkühler 10, welcher
die zugeführte und durch das Verdichten in dem Verdrängerlader 6 erwärmte
Frischluft so weit abkühlt, dass ihre Temperatur den Wirkungsgrad
der Verbrennungskraftmaschine 2 nicht nachteilig beeinflusst.
Die Frischluft wird in der Verbrennungskraftmaschine 2 zusammen
mit eingespritztem Kraftstoff verbrannt und die dabei entstehende
Leistung wird über die Kurbelwelle 3 bereitgestellt.
Bei der Verbrennung entstehen außerdem Abgase, welche über
eine Abgasleitung 11 aus der Verbrennungskraftmaschine 2 abströmen
und, beispielsweise über eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 12,
welche beispielsweise SCR-Katalysatoren, Russfilter und dergleichen aufweisen
kann, an die Umgebung gelangen. Um die in dem heißen Abgas
vorliegende Energie zu nutzen, ist im Bereich der Abgasleitung 11 außerdem
eine Nutzturbine 13 eines Turbocompoundsystems 14 angeordnet.
Die Nutzturbine 13 nutzt dabei in an sich bekannter Art
und Weise den thermischen Energieinhalt und einen Teil des Druckinhalts
in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine 2, um diese
in mechanische Leistung umzuwandeln. Die mechanische Leistung wird über
eine Getriebeeinheit 15 mit mehreren Übersetzungsstufen
und über eine hydrodynamische Kupplung beziehungsweise
Turbokupplung 16 zur Kurbelwelle 3 der Verbrennungskraftmaschine 2 geleitet.
Die über die Nutzturbine 13 aus dem Abgas zurückgewonnene
Leistung wird also zu der Leistung, welche die Verbrennungskraftmaschine 2 über
ihre Kurbelwelle 3 abgibt, addiert. Damit ist über das
Turbocompoundsystem 14 eine Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine 2 beziehungsweise
eine Steigerung des Wirkungsgrads des Antriebsstrangs 1 möglich.
Außerdem ist im Bereich der Nutzturbine 13 eine
Bypassleitung 17 mit einem Bypassventil 18 vorgesehen, über
welche in bestimmten Betriebszuständen das Abgas ganz oder
teilweise um die Nutzturbine herumgeleitet werden kann. Dieser Aufbau
ist so auch bei Turboladern bekannt und wird im Allgemeinen als
Umblasventil bezeichnet. Der Einsatz und die Funktionalität
der Bypassleitung 17 bzw. des Bypassventils 18 entsprechen
dabei ebenfalls diesem von Turboladern her bekannten Aufbau, so
dass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
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Die
Besonderheit des Antriebsstrangs 1 der 1 liegt
nun darin, dass über eine Welle 19 der Verdrängerlader 9 unmittelbar
mit der Getriebeeinheit 15 des Turbocompoundsystems 14 gekoppelt
ist. In der Ausführung gemäß 1 ist
diese Kopplung dabei von der Turbokupplung 16 aus betrachtet
auf der Kurbelwellenseite des Turbocompoundsystems 14 ausgebildet.
Selbstverständlich könnte der Verdrängerlader 9 auch
unmittelbar mit der Sekundärseite (Kurbelwellenseite) der
Turbokupplung 16 verbunden sein und somit gemeinsam mit
dieser mit derselben Drehzahl umlaufen, anstelle der unmittelbaren
Verbindung mit der Welle 19, welche gegenüber der
Sekundärseite der Turbokupplung 16 ins Langsame übersetzt
ist. Auch eine Zwischenschaltung auf einem Drehzahlniveau zwischen
der Drehzahl der Turbokupplung 16 und der Welle 19 oder
eine weitere Übersetzung ins Langsame, das heißt
eine Verlagerung in Richtung der Kurbelwelle 3, wäre
möglich. Der Aufbau funktioniert nun so, dass über
die Nutzturbine 13 Energie beziehungsweise Leistung aus dem heißen
Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 zurückgewonnen
wird. Diese zurückgewonnene Leistung wird über
das Turbocompoundsystem 14 zu einem Teil an die Kurbelwelle 3 abgegeben
und unterstützt dort die Abtriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 2.
Ein anderer Teil gelangt über die Welle 19 an
den Verdrängerlader 9 und ermöglicht
so die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 2 über
den Verdrängerlader 9.
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Der
Aufbau in der Darstellung des Antriebsstrangs gemäß 1 erlaubt
es nun außerdem in Betriebssituationen, in denen die von
der Nutzturbine 13 generierte Leistung nicht ausreicht,
den Verdrängerlader 9 anzutreiben, diesen direkt über
die Getriebeeinheit 15 durch die Kurbelwelle 3 anzutreiben.
Da Verdrängerlader aufgrund ihrer Charakteristik sehr gut
zu der typischerweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 2 passen,
ist diese Aufladung besonders effizient und besonders gut geeignet,
eine bestmögliche Leistung aus der Verbrennungskraftmaschine 2 zur
Verfügung zu stellen. Bei dem hier gezeigten Aufbau erlaubt
die Turbokupplung 16, welche zwischen der Nutzturbine 13 und
Verdrängerlader 9 beziehungsweise der Kurbelwelle 3 angeordnet
ist, außerdem eine hohe Variabilität bei der Zusammenführung
der Leistungen von der Kurbelwelle 3 und der Nutzturbine 13.
Die Turbokupplung 16 kann dafür insbesondere als
Regelkupplung ausgebildet sein, was in der nachfolgenden 2 näher
erläutert wird.
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Der
Aufbau ist im Wesentlichen derselbe wie in 1, wobei
hier lediglich auf die Darstellung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 verzichtet wurde.
Außerdem ist die Turbokupplung 16 im hier dargestellten
Ausführungsbeispiel der 2 als Regelkupplung
beziehungsweise Turboregelkupplung ausgeführt, wie es durch
den Pfeil in der Darstellung der 2 angedeutet
ist. Ferner ist die Welle 19 in der Ausführungsform
des Antriebsstrangs 1 gemäß 2 nicht
wie in der oben diskutierten Darstellung kurbelwellenseitig in das
Turbocompoundsystem 14 eingekoppelt, sondern aus Sicht
der Turbokupplung 16 nutzturbinenseitig. Diese Anbindung
erlaubt eine bessere Leistungsübertragung von der Nutzturbine 13 auf
den Verdrängerlader 9, jedoch zu Lasten der Leistungsübertragung
von der Kurbelwelle 3 zu dem Verdrängerlader 9,
welche dann über die hydrodynamische Kupplung 16 verläuft,
während dies in 1 andersherum der Fall war.
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Der
Aufbau gemäß 3 entspricht
wiederum weitgehend dem Aufbau gemäß 2.
Der einzige Unterschied hierbei ist, dass die Turbokupplung 16 wiederum
als ungeregelte Turbokupplung und nicht als Turboregelkupplung dargestellt
ist, wobei es für den Fachmann klar ist, dass in allen
dargestellten Ausführungsvarianten entweder eine ungeregelte Turbokupplung
oder eine Turboregelkupplung eingesetzt werden könnte.
Ferner ist der Aufbau des Antriebsstrangs 1 gemäß 3 um
einen zusätzlichen Turbolader 20 ergänzt.
Dieser Turbolader 20 umfasst oder besteht aus einem Strömungsverdichter 21 und einer
Abgasturbine 22. Diese sind in an sich bekannter Art und
Weise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Das aus der Verbrennungskraftmaschine 2 über
die Abgasleitung 11 abströmende Abgas durchströmt
dann zuerst die Abgasturbine 22 des Turboladers 20,
bevor es durch die Nutzturbine 13 des Turbocompoundsystems 14 strömt.
Um die Abgasturbine 22 ist auch hier wieder eine Bypassleitung 23 mit Bypassventil 24 dargestellt.
Auf die entsprechende Bypassleitung 17 mit Ventil 18 um
die Nutzturbine 13 ist in dieser Ausführungsform
verzichtet worden, selbstverständlich wäre diese
ebenfalls denkbar.
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Über
die Welle 19 ist hier der Verdrängerlader 9 wiederum
aus Sicht der Turbokupplung 16 nutzturbinenseitig an das
Turbocompoundsystem 14 angekoppelt. Der Verdrängerlader 9 verdichtet
die über die Zuluftleitung 8 anströmende
Frischluft in einer ersten Stufe und fördert diese vorverdichtete
Frischluft zu dem Strömungsverdichter 21, welcher
diese dann weiter verdichtet. Alternativ hierzu wäre es
auch denkbar, den Strömungsverdichter 21 und den über das
Turbocompoundsystem 14 angetriebenen Verdrängerlader 9 nicht
in Reihe nacheinander sondern parallel zueinander anzuordnen, um
die Zuluft zur Verbrennungskraftmaschine 2 entsprechend
zu fördern.
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Die
Frischluft gelangt dann durch den Ladeluftkühler 10 in
den Bereich der Verbrennungskraftmaschine 2. Der Strömungsverdichter 21 wird
dabei in an sich bekannter Art und Weise durch die Abgasturbine 22 des
Abgasturboladers 20 angetrieben. In dem dargestellten Aufbau
unterstützen sich dabei die seriell hintereinander geschalteten
Fördermittel in Form des Verdrängerladers 9 und
des Strömungsverdichters 21 entsprechend, um in
verschiedenen Betriebszuständen aufgrund ihrer Charakteristik
mit verschieden gutem Wirkungsgrad einen unterschiedlich hohen Ladedruck
bereitzustellen. Inder Summation ergibt sich somit ein Aufbau, welcher über
annähernd über alle Betriebszustände
der Verbrennungskraftmaschine 2 hinweg in der Lage ist,
einen bestmöglichen Betrieb des Aufbaus zu realisieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs gemäß der Darstellung in 4 ist
wiederum der Aufbau gewählt, bei dem sowohl ein Turbolader 20 als
auch eine Nutzturbine 13 des Turbocompoundsystems 14 die
in dem Abgas befindliche Energie nutzen. Die Anbindung des Verdrängerladers 9 über
die Welle 19 ist dabei jedoch wieder auf der Kurbelwellenseite
des Turbocompoundsystems 14 angeordnet. Der Aufbau entspricht
also hinsichtlich der Ankopplung des Verdrängerladers dem
der 1. Ansonsten ist die Funktionalität mit
der zweistufigen Aufladung vergleichbar der des Aufbaus des Antriebsstrangs 1 gemäß 3.
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Alternativ
zu den in den 3 und 4 gezeigten
zweistufigen Aufladungsvarianten könnten weitere Auflandungsstufen
mit Verdrängungsladern und/oder Strömungsverdichtern
vorgesehen sein, oder die Reihenfolge der beiden Ladestufen könnte frischluftseitig
und/oder abgasseitig umgekehrt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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