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Die Erfindung betrifft ein Abgassystem und ein Verfahren zum Abführen von Abgas einer Brennkraftmaschine. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Hubkolbenmaschinen mit mehreren Zylindern.
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Die Abführung und Nachbehandlung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen stellen hohe Anforderungen. So werden diese Abgase katalytisch nachbehandelt, um schädliche darin üblicherweise enthaltene Komponenten, wie z. B. CO chemisch in unbedenkliche Verbindungen umzuwandeln. Hierfür ist an den eingesetzten Katalysatoren eine bestimmte ausreichende Betriebstemperatur erforderlich. Diese wird mit der Abwärme des Abgases erreicht. Dementsprechend ist die Wirkung des Katalysators im Kaltlauf der Brennkraftmaschine nicht oder nur unzureichend vorhanden. Es ist daher ein Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators in kurzer Zeit erwünscht.
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Ein großer Teil der im Einsatz befindlichen Brennkraftmaschinen verfügt über Einrichtungen zur Aufladung. Hierfür haben sich großflächig Abgasturbolader durchgesetzt, die die Energie des heißen Abgases ausnutzen, um eine Vorverdichtung der in die Brennkraftmaschine angesaugten Luft und dadurch wiederum eine Leistungssteigerung zu bewirken. Auch für den Betrieb von Abgasturboladern ist eine ausreichende Energie des Abgases erforderlich.
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Wie bereits angesprochen, spielt die Abgastemperatur beim Betrieb der Brennkraftmaschinen eine Rolle. Probleme können dadurch auch bei Vollastbetrieb oder einem Betrieb oberhalb der Teillast auftreten. Die Abgastemperatur kann dabei Werte erreichen, die für die die Bauteile eines Abgassystems kritisch sind. Insbesondere sind solche hohen Temperaturen an den eingesetzten Katalysatoren oder Abgasturboladern kritisch. Entsprechend wärmeresistente Werkstoffe sind aber mit hohen Kosten verbunden.
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Um diesen hohen Abgastemperaturen entgegen zu wirken, wird eine Kraftstoffanreicherung beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem λ-Wert deutlich kleiner 1 durchgeführt. Dadurch können die Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie des eigentlich zu viel zugeführten Kraftstoffs zur Kühlung genutzt werden. Der Kraftstoffverbrauch wird so aber unnötig erhöht und die Umwelt zusätzlich belastet.
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Außerdem ist es aus dem Stand der Technik nicht bekannt, die hohe Energie des heißen unmittelbar aus den Zylindern einer Brennkraftmaschine austretenden Abgases einer Nutzung zuzuführen.
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Bei Systemen mit Abgasrückführung, wie sie beispielsweise aus
EP 0 987 427 B1 oder
EP 2 211 048 A1 bekannt sind, werden zwar Wärmetauscher eingesetzt um das Abgas vor der Rückführung in die Brennkraftmaschine zu kühlen. Die Wärmetauscher sind dabei aber weit entfernt von den Auslassventilen und dem Krümmer in einer Bypassleitung angeordnet. Sie dienen ausschließlich dazu das rückzuführende Abgas auf eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeignete Temperatur abzukühlen.
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Aus der
WO 2009/093120 A1 ist es bekannt, eine Trennung des Abgases aus den einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine, bei der an den Zylindern zwei Auslassventile vorhanden sind, vorzunehmen. Dabei wird das Abgas jeweils eines Auslassventils eines Zylinders in eine Abgasleitung und das aus dem jeweils anderen Auslassventil austretende Abgas in eine andere Abgasleitung geführt. Die Abgasströmung durch die beiden Abgasleitungen wird durch ein entsprechendes Öffnen und Schließen der Auslassventile an den einzelnen Zylindern gesteuert. Dabei wird Abgas, das aus einer Gruppe von Auslassventilen aus den Zylindern austritt durch die eine Abgasleitung direkt zu einem Katalysator geführt. Das Abgas, das aus der anderen Gruppe der Auslassventile austritt, strömt durch die zweite Abgasleitung zu einem Abgasturbolader, treibt diesen an und wird dann wieder dem übrigen Abgasstrom vor dem Katalysator zugeführt, so dass das gesamte Abgas mit dem Katalysator nachbehandelt werden kann.
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Mit einer solchen technischen Lösung kann zwar ein effektiveres Aufheizen des Katalysators in kurzer Zeit bis zum Erreichen seiner Betriebstemperatur erreicht werden. Die dem Abgas innewohnende mechanische Energie des Abgases kann aber für den Antrieb des Abgasturboladers nicht vollständig, sondern nur mit dem Anteil des Abgases, das durch die entsprechende Abgasleitung dem Abgasturbolader zugeführt wird, genutzt werden. Eine Nutzung der Wärme des heißen Abgases außer für die Erwärmung des Katalysators ist nicht vorgesehen.
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Aus
DE 10 2004 052 107 A1 sind eine Abgasanlage und ein Betriebsverfahren dafür bekannt. Dabei soll Abgas einer Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise einem Wärmespeicher zugeführt werden, der in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Oxidationskatalysator angeordnet ist.
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Die
DE 10 2006 007 843 A1 betrifft eine Auspuffkrümmeranordnung, an die zwei Katalysatoren angeschlossen sind. Dabei kann ein Teil der Abgase über eine gesonderte Leitung einem kleiner dimensionierten Katalysator und aus mehreren Rohren einem größeren Katalysator zugeführt werden. Dabei kann der Einlass des größeren Katalysators verschlossen werden, was in der Regel bis zum Erreichen einer ausreichenden Temperatur des größeren Katalysators der Fall ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Energie des aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgases besser ausnutzen zu können und den Wirkungsgrad, insbesondere bei Vollastbetrieb zu erhöhen, die thermische Belastung von Teilen des Zylinderkopfes und der Abgasanlage sowie die Umweltbelastung durch einen verringerten Ausstoß von Schadstoffen zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Abgassystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren nach Anspruch 7 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisierbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Abgassystem für Brennkraftmaschinen, strömt das Abgas aus jedem Zylinder über zwei gesonderte Abgasleitungen zu einem im Abgasstrang angeordneten Katalysator zur Abgasnachbehandlung und/oder einem Abgasturbolader. Bevorzugt ist dabei eine Reihenanordnung von Abgasturbolader und Katalysator. Außerdem sind Mittel zur Beeinflussung des durch die zwei Abgasleitungen führbaren Abgasvolumenstroms an den Abgasleitungen vorhanden. Dadurch können jeweils unterschiedliche Volumenströme an Abgas durch die beiden Abgasleitungen geführt werden. Mit diesen Mitteln kann aber auch erreicht werden, dass Abgas nur durch eine der beiden Abgasleitungen strömt und die andere Abgasleitung für Abgas gesperrt ist.
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Außerdem ist an mindestens einer der beiden Abgasleitungen in unmittelbarer Nähe von Auslassventilen und in Strömungsrichtung vor dem Katalysator und/oder Abgasturbolader ein Rekuperationswärmetauscher angeordnet oder in diese Abgasleitung integriert. Der/die Rekuperationswärmetauscher kann dabei am Krümmer der Brennkraftmaschine vorhanden oder in diesen integriert ausgebildet sein.
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Als Mittel zur Beeinflussung des Abgasvolumenstroms, der durch die beiden Abgasleitungen geführt werden kann, können ein Ventil oder eine verschwenkbare Klappe an der Abgasleitung vorgesehen sein.
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Die Beeinflussung des durch die zwei Abgasleitungen führbaren Abgasvolumenstroms erfolgt durch eine differenzierte Steuerung der Öffnung der Auslassventile eines Zylinders. So ist das Abgassystem im unmittelbaren Bereich des Abgasaustritts aus den Zylindern so gestaltet, dass Abgas, das aus einem Auslassventil austritt, in die eine Abgasleitung einströmt und das Abgas, das aus dem jeweils anderen Auslassventil ausströmt in die jeweils andere Abgasleitung einströmt. Dies kann mit einer geeigneten Ventilsteuerung erreicht werden.
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So kann beispielsweise bei Kaltstart oder im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein Auslassventil ständig geschlossen sein. Das gesamte Abgas wird dann über das jeweils andere Auslassventil aus dem Zylinder abgeführt und strömt in die ihm zugeordnete Abgasleitung. Durch die andere Abgasleitung strömt zu diesen Zeiten dann kein Abgas.
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Die beiden Abgasleitungen sind so ausgebildet, dass Abgas, das aus einer Gruppe von Auslassventilen der einzelnen Zylinder austritt in eine Abgasleitung einströmt und das Abgas, das aus der anderen Gruppe von Auslassventilen austritt, in die andere Abgaseinleitung einströmt.
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Bei einer entsprechenden Einflussnahme auf Ventile, Klappen oder die Auslassventile kann Abgas aus allen Zylindern durch zumindest eine, bei bestimmten Betriebszuständen temperaturabhängig auch durch beide Abgasleitungen strömen.
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Hier ist konkret auf Brennkraftmaschinen, bei denen je Zylinder zwei Auslassventile vorhanden sind, eingegangen worden. Bei Zylindern mit mehr als zwei Auslassventilen kann sinngemäß gearbeitet werden, und z. B. Abgas aus zwei Auslassventilen einer Abgasleitung und das Abgas aus mindestens einem weiteren Auslassventil der anderen Abgasleitung zugeordnet werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Abgassystem kann eine Abgasleitung an der ein Rekuperationswärmetauscher angeordnet oder integriert ist, eine größere Länge als eine Abgasleitung ohne Rekuperationswärmetauscher aufweisen. Dadurch kann die Abwärme des Abgases besser ausgenutzt werden. Bei der Wahl der Längen der beiden Abgasleitungen sollte das Schwingungsverhalten des Abgases innerhalb der Abgasleitungen berücksichtigt werden, um Druckschwingungen, die einen erhöhten Abgasgegendruck an den Auslassventilen oder verringerte Drücke am Austritt der jeweiligen Abgasleitung vermeiden zu können.
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Ein Rekuperationswärmetauscher kann auch als Staukammer (ohne Kanaltrennung) ausgeführt werden. Dadurch kann zusätzlich eine Stoß-/Stauaufladung bei einer entsprechenden Verschaltung mit Abgasturbolader realisiert werden.
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Ein integrierter Rekuperationswärmetauscher kann beispielsweise als Kanalsystem innerhalb des Krümmers ausgebildet sein.
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Die beiden Abgasleitungen werden in Strömungsrichtung vor dem Katalysator und/oder dem Abgasturbolader zusammengeführt. Bei mehreren Katalysatoren, Abgasturboladern oder Register- bzw. zweistufigen Abgasturboladern ist dies sinngemäß möglich. So kann das gesamte Abgas einmal katalytisch nachbehandelt und bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader dessen gesamte mechanische Energie für dessen Antrieb ausgenutzt werden, wenn Abgasturbolader und Katalysator in Reihe angeordnet sind.
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Durch einen oder mehrere Rekuperationswärmetauscher wird ein Kühlmittel geführt, das bevorzugt im Kreislauf mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine geführt ist. Das mit dem heißen Abgas erwärmte Kühlmittel kann dann zu Heizzwecken oder die Erwärmung von Komponenten, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges genutzt werden. Dabei kann die Wärme für eine Temperierung von Aggregaten, wie Getriebe und Kupplung oder auch bei einer Klimaanlage genutzt werden.
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Ein Rekuperationswärmetauscher kann aber auch mit einem Gas betrieben werden, ähnlich wie dies bei einer Luftkühlung der Fall ist. Dabei können die Oberfläche vergrößernde Elemente, wie z. B. Rippen von Luft umströmt werden. Die Luft kann so aufgeheizt werden.
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Vorteilhaft kann an einem Rekuperationswärmetauscher mindestens ein thermoelektrisches Element vorhanden sein, um unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes elektrische Energie zu erhalten. Hierbei wirkt sich der mit dem Rekuperationswärmetauscher einstellbare Temperaturbereich, in dem kostengünstige thermoelektrische Generatoren günstig betrieben werden können, aus.
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An dem/den Rekuperationswärmetauscher(n) kann ein Ventil vorhanden sein, mit dem der Volumenstrom des den jeweiligen Rekuperationswärmetauscher durchströmenden Kühlmittels beeinflusst werden kann und dadurch eine weitere Regelgröße zur Verfügung steht.
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Je nach Größe des den Rekuperationswärmetauscher durchströmenden Volumenstroms an Kühlmittel kann der Temperaturgradient und die Wärmekapazität berücksichtigt werden. Dies bietet sich insbesondere an, wenn an beiden Abgasleitungen Rekuperationswärmetauscher vorhanden sind. Dadurch kann bei bestimmten Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine ein Ventil den Rekuperationswärmetauscher einer Abgasleitung sperren, so dass dieser dann nicht genutzt wird und das heiße Abgas ohne zusätzliche Abkühlung diese Abgasleitung durchströmt und dann beispielsweise mit dem entsprechend heißen Abgas der Katalysator schneller auf seine Betriebstemperatur gebracht werden kann. Ist diese erreicht, kann das entsprechende Ventil geöffnet und die Abwärme des Abgases, das durch diese Abgasleitung strömt auch genutzt werden.
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Bei der Erfindung wird so vorgegangen, dass die Abgasvolumenströme, die durch die beiden Abgasleitungen geführt werden, in Abhängigkeit der Abgastemperatur geregelt werden und mit mindestens einem an einer Abgasleitung vorhandenen Rekuperationswärmetauscher das Abgas, das durch die jeweilige Abgasleitung strömt gekühlt wird.
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Die Regelung der Abgasvolumenströme kann auch in Abhängigkeit der Temperatur am Katalysator und/oder als eine kennfeldspezifische Regelung für die jeweilige Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Dabei kann der jeweilige Betriebszustand der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. So können beispielsweise im Teillastbetrieb jeweils ein Auslassventil eines Zylinders geschlossen oder nur reduziert oder zeitlich versetzt geöffnet werden, um keinen oder einen reduzierten Abgasvolumenstrom durch eine Abgasleitung mit Rekuperationswärmetauscher während dieser Zeit zu führen. Wird mehr Leistung gefordert und Vollastbetrieb gefahren, kann durch die beiden Abgasleitungen zumindest nahezu der gleiche Abgasvolumenstrom geführt werden.
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Da die Rekuperation in unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine bei der Erfindung erfolgt, kann die Abgaswärme effizient genutzt werden. Das Ansprechverhalten eines Abgasturboladers wird nicht verschlechtert. Die Abgasenergie kann über die zwei Abgasleitungen bedarfsgerecht geführt und entsprechend genutzt werden. Die Abgasleitungen können für ein optimales Energiemanagement abgestimmt werden. So kann durch eine Kombination einer kürzeren wärmeisolierten Abgasleitung mit einer längeren Abgasleitung und daran vorhandenem Wärmetauscher im Warmlauf und im Niedriglastbetrieb, kein Abgas durch die längere Abgasleitung geführt werden, um die erforderliche Betriebstemperatur des Katalysators in kürzerer Zeit zu erreichen. Probleme bei diesem Betrieb der Brennkraftmaschine können vermieden werden. Auf eine bisher übliche Kraftstoffanreicherung, wie sie bei Vollastbedingungen durchgeführt worden ist, kann verzichtet werden. Auf höher warmfeste Werkstoffe kann verzichtet werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems;
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2 in schematischer Form ein Beispiel an einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern;
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3a–c Möglichkeiten für die Abgasführung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine;
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4a einen Rekuperationswärmetauscher, der als Kammer ausgebildet ist und
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4b einen Rekuperationswärmetauscher mit Trennblechen, analog zu einem Zündfolgekrümmer.
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In 1 ist die Abgasführung an einem Zylinder einer Brennkraftmaschine gezeigt. Dabei sind zwei Abgasleitungen 1 und 2 vorhanden. Durch die kürzere Abgasleitung 1 wird ein Teil des Abgases, das aus dem Auslassventil 3 aus dem Zylinder austritt, direkt zu einem nicht dargestellten Abgasturbolader und einem in Strömungsrichtung nach dem Abgasturbolader angeordneten Katalysator (ebenfalls nicht dargestellt) geführt. Bei ständig geschlossenem Auslassventil 4 strömt dann nur Abgas durch diese Abgasleitung 1. Dies ist im Warmlauf oder bei Teillast der Brennkraftmaschine, der Fall.
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Wird die Brennkraftmaschine bei Volllast betrieben wird das zweite Auslassventil 4 gleichzeitig mit dem ersten Auslassventil 3 geöffnet und ein Teil des Abgases, das aus dem Zylinder 6 austritt, strömt durch die zweite Abgasleitung 2. An dieser Abgasleitung 2 ist ein Rekuperationswärmetauscher 5 vorhanden, mit dem eine Kühlung des Abgases erreicht werden kann.
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Der gesamte Abgasstrom wird vor dem Abgasturbolader wieder zusammengeführt und seine Energie kann für den Antrieb des Abgasturboladers genutzt werden.
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Bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern kann der Abgasstrom, der aus den jeweiligen Auslassventilen 3 austritt zusammengeführt und durch die Abgasleitung 1 strömen. Dies trifft für die Auslassventile 4 und die Abgasleitung 2 sinngemäß zu.
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Der Rekuperationswärmetauscher 5 wird von flüssigem Kühlmittel durchströmt, mit dem eine Wärmeabfuhr zur Kühlung des Abgases erreicht werden kann.
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In 2 ist ein Beispiel, das für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern 6 ausgelegt ist, gezeigt. Die Auslassventile 3 der vier Zylinder 6 münden in die Abgasleitung 1. Die Auslassventile 4 der vier Zylinder 6 münden in die Abgasleitung 2. Das Abgas wird aus der Abgasleitung 1 direkt zu mindestens einem Abgasturbolader und/oder mindestens einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung geführt.
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Das aus den Auslassventilen 4 austretende Abgas gelangt bei diesem Beispiel über vier getrennte Abgasleitungen 2 zu einem Rekuperationswärmetauscher 5. Diesem wird, wie mit dem horizontal ausgerichteten Pfeil angedeutet, ein Kühlmedium zugeführt. Als Kühlmedium kann beispielsweise Luft, Wasser, ein Wasser Frostschutzmittelgemisch, ein Alkohol oder anderes zugeführt werden. Bei flüssigen Kühlmedien kann eine gezielte Auswahl unter Berücksichtigung der Siedetemperatur und der Abgastemperatur am Rekuperationswärmetauscher 5 getroffen werden.
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Das aus dem Rekuperationswärmetauscher 5 austretende Kühlmedium (mit dem vertikalen Pfeil verdeutlicht) kann mit der entsprechend erhöhten Temperatur und ggf. Druck genutzt werden. Dabei kann der Rekuperationswärmetauscher 5 abgasseitig als Kammer für eine Stauaufladung ausgeführt sein, in den alle vier Abgaskanäle der Zylinder 6 gemeinsam münden (s. 4a). Es besteht aber auch die Möglichkeit diesen analog zu einem Zündfolgekrümmer mit darin vorhandenen Trennblechen 10 für eine Stoßaufladung auszubilden, wie dies in 4b verdeutlicht ist.
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Das Abgas, das durch die Abgasleitungen 1 und 2 geführt wird, kann zumindest in Strömungsrichtung nach dem Rekuperationswärmetauscher 5 wieder zusammengeführt werden. Beispiele dafür, wie dies vor einem Abgasturbolader 7 erfolgen kann, sind in 3 gezeigt.
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Die Auslassventile 3 und 4 der vier Zylinder 6 können, wie dies bereits vorab erläutert worden ist, in geregelter Form geöffnet und geschlossen werden, so dass der gesamte Abgasvolumenstrom entweder durch die Abgasleitung 1 abgeführt wird oder eine Aufteilung in zwei Abgasströme erfolgt, die über die Abgasleitungen 1 und 2 abgeführt werden. Dabei kann Abgaswärme mit dem Rekuperationswärmetauscher 5 genutzt und die Abgastemperatur in für Katalysator und Abgasturbolader unkritische Bereiche abgesenkt werden.
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Die Abgasleitung 1 kann als kurze Leitung ausgebildet, dabei thermisch isoliert und mit einer Kanaltrennung, analog zu einem Zündfolgekrümmer ausgebildet sein.
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Für eine Abgasturboaufladung können die unterschiedlichen bekannten Systeme eingesetzt werden.
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Möglichkeiten für den Anschluss der Abgasleitungen 1 und 2 bzw. die Zuführung des Abgases zur Aufladung sind in 3 gezeigt. Dies betrifft insbesondere die Aufteilung der Abgasströme auf eine oder zwei Turbinen.
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In der Darstellung nach 3a wird das Abgas getrennt aus den Abgasleitungen 1 und 2 jeweils einer Turbine 8 und 9 zugeführt. Die beiden Turbinen 8 und 9 können dabei unterschiedlich dimensioniert sein, so dass der jeweilige Betriebszustand mit der Energie des Abgases berücksichtigt werden kann. Da ja, wie bereits zum Ausdruck gebracht, bei bestimmten Betriebszuständen kein Abgas oder nur ein kleiner Abgasvolumenstrom durch die Abgasleitung 2 strömt und demzufolge auch nicht für eine Aufladung genutzt werden kann.
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Bei dem in 3b gezeigten Beispiel werden die Abgasströme der beiden Abgasleitungen 1 und 2 vor dem einen Abgasturbolader mit einer Turbine 8 zusammengeführt (einfache Turbine z. B. „Monoscroll” bzw. Abgasturbolader mit variabler Geometrie z. B. variabler Turbinengeometrie).
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Bei dem in 3c gezeigten Beispiel wird das Abgas aus den Abgasleitungen 1 und 2 ebenfalls in einen Ab gasturbolader mit einer Turbine 8 eingeführt. Dieser hat jedoch zwei getrennte Einlässe, in die Abgas jeweils einer der beiden Abgasleitungen 1 und 2 einströmen kann. Dies kann man auch als Zwillingsstromturbine oder Doppelstromturbine bezeichnen.
