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Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher umfassend einen Hohlkörper mit einer Gaseinlassöffnung, einer Gasauslassöffnung und einem Innenraum zur Aufnahme eines Abgasstroms zwischen der Gaseinlassöffnung und der Gasauslassöffnung, weiterhin umfassend eine in dem Hohlkörper angeordnete Leitungseinrichtung zur Führung eines Kühlfluids.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Abgasrückführanordnung mit einem Kanal zum Transport von Abgas zwischen einem Frischgaseinlass und einem Abgasauslass einer Brennkraftmaschine.
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Ein Abgaswärmetauscher und eine Abgasrückführanordnung der genannten Art sind aus der Druckschrift
EP 1 096 131 A1 bekannt. Diese zeigt einen Abgaswärmetauscher für eine Abgasrückführanordnung, bei dem in einem äußeren Element mehrere innere Elemente entlang der Längserstreckung des äußeren Elements angeordnet sind. Sowohl das äußere Element als auch die inneren Elemente sind schlauchförmig beziehungsweise rohrförmig ausgebildet. In den inneren Elementen wird der Abgasstrom geführt, während das äußere Element von einem Kühlmittel durchströmt wird.
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Es ist weiterhin durch die Druckschrift
DE 103 09 807 A1 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem der Abgasstrom durch ein Hohlkörper geführt wird und in dem Hohlkörper eine Leitungseinrichtung zur Führung eines Kühlmediums angeordnet ist, wobei an der Leitungseinrichtung Wärmerohre zur Übertragung der Wärme zwischen dem Abgasstrom und dem Kühlmedium angeordnet sind.
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Zur Minderung der Emission von Stickoxiden beziehungsweise zur Senkung der Ladungswechselverluste wird bei Brennkraftmaschinen die sogenannte Abgasrückführung, auch als AGR bezeichnet, verwendet. Dabei wird ein Teil des Abgasstroms der die Brennkraftmaschine verlässt, über einen Kanal in den Ansaugraum der Brennkraftmaschine zurückgeführt, indem der Teil des Abgasstroms der angesaugten Frischluft zugemischt wird.
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Die Abgasrückführung kann im Hochdruckbereich oder im Niederdruckbereich der Brennkraftmaschine erfolgen. Bei der Hochdruck-AGR wird ein Teil des Abgasstroms vor einer Turbine eines Abgasturboladers entnommen, bei einer Niederdruck-AGR wird der rückzuführende Teil des Abgasstroms nach der Turbine eines Abgasturboladers entnommen. Um die Bildung von Stickoxiden zu verhindern, ist es erforderlich, dass die Gastemperatur im Brennraum verringert wird. Dazu wird zwischen dem Abgasrückführventil der Abgasrückführanordnung und dem Anschluss des Abgasrückführkanals an das Saugrohr ein Abgaswärmetauscher als Kühler angeordnet. Der Abgaswärmetauscher ist in der Regel in Rohrbündelbauweise ausgeführt. Um den Wärmeübergang zu intensivieren, sind im Abgaswärmetauscher Wirbel erzeugende Elemente, beispielsweise in Form von Einprägungen, angebracht. Abgaswärmetauscher in Rohrbündelbauweise benötigen eine erhebliche Längsausdehnung, um die erforderliche Kühlleistung realisieren zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache und Platz sparende Lösung für einen effizienten Wärmetransport zwischen den eingesetzten Medien, insbesondere bei einem Abgaswärmetauscher, zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Abgaswärmetauscher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Abgaswärmetauscher vorgesehen, bei dem die Leitungseinrichtung mehrere, insbesondere rohrförmige Kühlfluidkanäle umfasst, die in dem Hohlkörper für eine orthogonale Orientierung der Strömungsrichtungen von Kühlmittel und Abgas angeordnet sind. Dadurch, dass der Abgasstrom und der Kühlmittelstrom senkrecht zueinander ausgerichtet sind, wird bei geringem Raumbedarf und zugleich nahezu beliebiger Geometrie des Abgaswärmetauschers die Kühlleistung maximiert.
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Um das Leistungspotential des Kühlfluids auszunutzen, ist es günstig, dass der Abgaswärmetauscher zumindest zwei Kühlfluidkammern zur Sammlung und Verteilung des Kühlfluids umfasst. In den Kühlfluidkammern wird das Kühlfluid gleichmäßig auf die Kühlfluidkanäle aufgeteilt, sodass alle Kühlfluidkanäle mit annähernd derselben Geschwindigkeit durchströmt werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Kühlfluidkammern auf der Außenseite des Hohlkörpers angeordnet sind. Da der Hohlkörper von dem Abgas durchströmt wird, sind der Hohlkörper und die Kühlfluidkanäle aus einem korrosions- und temperaturbeständigen Material, vorzugsweise einer Chrom-Nickel-Legierung, beispielsweise X5CrNi-18-10, gefertigt. Vorzugsweise ist der Hohlkörper aus ebenen Blechtafeln zusammengesetzt. Dabei durchbricht die Leitungseinrichtung die Oberfläche des Hohlkörpers weitestgehend orthogonal. Die Kühlfluidkammern haben aufgrund ihrer Anordnung an der Außenseite des Hohlkörpers keinen Kontakt zum Abgas und können aus anderen, gegenüber dem Abgas weniger beständigen Materialien gefertigt sein.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass die Kühlfluidkanäle an ihrem einen Ende mit zumindest einer Kühlfluidkammer und an ihrem anderen Ende mit zumindest einer anderen Kühlfluidkammer strömungsoffen verbunden sind. Hierdurch wird ein Vermischen unterschiedlich temperierter Kühlfluide vermieden und so die Kühlleistung gesteigert. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Abgaswärmetauscher einen Kühlfluidzulauf und einen Kühlfluidablauf hat. Dabei ist der Kühlfluidzulauf direkt mit zumindest einer Kühlfluidkammer und der Kühlfluidablauf direkt mit zumindest einer anderen Kühlfluidkammer strömungsoffen verbunden. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, dass in Strömungsrichtung des Kühlfluids der Kühlfluidzulauf mit der ersten Kühlfluidkammer und der Kühlfluidablauf mit der letzten Kühlfluidkammer verbunden ist.
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Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass die Leitungseinrichtung zumindest zwei Gruppen von Kühlfluidkanälen umfasst. Dabei sind die Kühlfluidkanäle der ersten Gruppe an einem Ende mit der ersten Kühlfluidkammer und die Kühlfluidkanäle der letzten Gruppe an einem Ende mit der letzten Kühlfluidkammer verbunden. Weiterhin ist jeder Kühlfluidkanal an wenigstens einem Ende mit zumindest einer zwischengeordneten Kühlfluidkammer verbunden. Hierdurch wird es möglich, dass das Kühlfluid mehrfach, beispielsweise zweimal, den Abgasstrom quert und so diesem zusätzliche Wärme entzieht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der zweifachen Durchquerung des Abgasstroms ist in Strömungsrichtung des Kühlfluids das eine Ende der Kühlfluidkanäle der ersten Gruppe mit der ersten Kühlfluidkammer und das andere Ende mit einer zwischengeordneten Kühlfluidkammer verbunden. Weiter in Strömungsrichtung des Kühlfluids ist das eine Ende der Kühlfluidkanäle der zweiten Gruppe mit der zwischengeordneten Kühlfluidkammer und das andere Ende mit der letzten Kühlfluidkammer verbunden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel einer dreifachen Durchquerung des Abgasstroms ist in Strömungsrichtung des Kühlfluids das eine Ende der Kühlfluidkanäle der ersten Gruppe mit der ersten Kühlfluidkammer und das andere Ende mit einer ersten zwischengeordneten Kühlfluidkammer verbunden. Weiter in Strömungsrichtung des Kühlfluids ist das eine Ende der Kühlfluidkanäle der zweiten Gruppe mit der ersten zwischengeordneten Kühlfluidkammer und das andere Ende mit einer zweiten zwischengeordneten Kühlfluidkammer verbunden. Weiter in Strömungsrichtung des Kühlfluids ist das eine Ende der Kühlfluidkanäle einer dritten Gruppe mit der zweiten zwischengeordneten Kühlfluidkammer und das andere Ende mit der letzten Kühlfluidkammer verbunden.
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Als besonders effektiv hat es sich erwiesen, dass die Gruppen der Kühlfluidkanäle derart angeordnet sind, dass der Abgasstrom nach dem Eintritt in den Abgaswärmetauscher zuerst die erste Gruppe der Kühlfluidkanäle und vor dem Verlassen des Abgaswärmetauschers die letzte Gruppe der Kühlfluidkanäle umströmt. Hierdurch begegnen sich das kälteste Kühlfluid und das heißeste Abgas. Durch den hohen Temperaturunterschied ist ein hoher Wärmeaustausch und somit eine maximale Kühlwirkung realisierbar. Andere Anordnungen und Reihenfolgen der Anströmung sind auch möglich.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen zwei Kühlfluidkammern eine Umgehung des Innenraums des Hohlkörpers vorgesehen ist. Hierdurch ist es unter anderem möglich, dass einzelne Gruppen der Leitungseinrichtung unterschiedliche Volumenströme aufweisen. So kann beispielsweise ein Teil des kalten Kühlfluids aus der ersten Kühlfluidkammer direkt in eine zwischengeordnete Kühlfluidkammer geführt werden und so die Kühlfluidtemperatur in einer der ersten Gruppe nachgeordneten Gruppe der Kühlfluidkanäle herabgesetzt werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Abgasrückführanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Erfindungsgemäß ist also eine Abgasrückführanordnung vorgesehen, bei der in dem Kanal ein Abgaswärmetauscher nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, bei geringem Raumbedarf und zugleich nahezu beliebiger Geometrie des Abgaswärmetauschers die Kühlleistung zu maximieren.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer Niederdruck-Abgasrückführanordnung einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Darstellung einer Hochdruck-Abgasrückführanordnung einer Brennkraftmaschine;
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3 eine schematische Darstellung einer ersten Ansicht des in 1 gezeigten Abgaswärmetauschers;
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4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ansicht des in den 1 und 2 gezeigten Abgaswärmetauschers;
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5 eine schematische Darstellung eines ersten Schnitts durch den in den 1 bis 3 gezeigten Abgaswärmetauscher;
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6 eine schematische Darstellung einer dritten Ansicht des in den 1 bis 4 gezeigten Abgaswärmetauschers;
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7 eine schematische Darstellung eines zweiten Schnitts durch den in den 1 bis 5 gezeigten Abgaswärmetauscher;
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8 eine schematische Darstellung der Leitungseinrichtung des in den 1 bis 6 dargestellten Abgaswärmetauschers;
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9 eine schematische Darstellung des Hohlkörpers des in den 1 bis 6 dargestellten Abgaswärmetauschers;
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10 eine schematische Darstellung der Kühlfluidkammern des in den 1 bis 6 dargestellten Abgaswärmetauschers;
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11 eine schematische Darstellung des in den 1 bis 6 dargestellten Abgaswärmetauschers.
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Die 1 und 2 zeigen in schematischen Darstellungen jeweils eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführanordnung 2. Die Brennkraftmaschine 1 hat mehrere Brennräume 3, einen Frischgaseinlass 4 und einen Abgasauslass 5. Der Abgasstrom aus der Brennkraftmaschine 1 wird über eine Turbine 6 eines Turboladers 7 in die Umgebung 8 abgeleitet. Das Frischgas wird der Umgebung 8 entnommen und über einen Verdichter 12 des Turboladers 7 und einen Ladeluftkühler 13 zu dem Frischgaseinlass 4 geführt. Die Rückführung eines Teils des Abgasstroms erfolgt durch einen Kanal 9. Zur Kühlung des abgeleiteten Abgasstroms ist in dem Kanal 9 ein Abgaswärmetauscher 10 angeordnet. Die Menge des abgeleiteten Abgasstroms ist mittels des Abgasrückführventils 11 einstell- und regelbar.
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Die in 1 dargestellte Abgasrückführanordnung 2 ist eine Niederdruck-AGR, bei welcher ein Teil des Abgasstroms nach einer Abgasreinigung 32, beispielsweise ein Partikelfilter und/oder ein Katalysator, beziehungsweise nach der Turbine 6 entnommen und über einen Kanal 9 der Abgasrückführanordnung 2 vor dem Verdichter 12 des Turboladers 7 dem Frischgasstrom zugeführt wird. Die in 2 gezeigte Abgasrückführanordnung 2 ist eine Hochdruck-AGR. Bei dieser wird ein Teil des Abgasstroms über den Kanal 9 der Abgasrückführanordnung 2 von dem Abgasauslass 5 zu dem Frischgaseinlass 4 geführt.
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Die 3, 4 und 6 zeigen Ansichten von unterschiedlichen Seiten des Abgaswärmetauschers 10 und die 5 und 7 zeigen Schnitte durch den Abgaswärmetauscher 10.
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Der Abgaswärmetauscher 10 umfasst einen Hohlkörper 14 mit einer Gaseinlassöffnung 15, einer Gasauslassöffnung 16 und einem Innenraum 17. In dem Innenraum 17 wird ein zwischen der Gaseinlassöffnung 15 und der Gasauslassöffnung 16 bewegter Abgasstrom aufgenommen. Mittels der Gaseinlassöffnung 15 und der Gasauslassöffnung 16 ist der Abgaswärmetauscher 10 in dem in den 1 und 2 dargestellten Kanal eingebunden. Der Abgaswärmetauscher 10 umfasst weiterhin eine Leitungseinrichtung 18 zur Führung eines Kühlfluids. Die Leitungseinrichtung 18 ist in dem Innenraum 17 des Hohlkörpers 14 angeordnet. Die Leitungseinrichtung 18 umfasst mehrere, insbesondere rohrförmige Kühlfluidkanäle 19. Die Kühlfluidkanäle 19 sind in dem Innenraum 17 des Hohlkörpers 14 für eine orthogonale Orientierung der Strömungsrichtung 29 des Kühlfluids und der Strömungsrichtung 30 des Abgases angeordnet. Die Strömungsrichtungen 29, 30 sind durch Pfeile angedeutet.
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Der Abgaswärmetauscher 10 umfasst zumindest drei Kühlfluidkammern 20, 21, 22 zur Sammlung und Verteilung des Kühlfluids auf die einzelnen Kühlfluidkanäle 19. Die Kühlfluidkanäle 19 sind an jedem ihrer Enden jeweils mit einer anderen Kühlfluidkammer 20, 21, 22 verbunden. Der Abgaswärmetauscher 10 hat weiterhin einen Kühlfluidzulauf 23 und einen Kühlfluidablauf 24. In Strömungsrichtung 29 des Kühlfluids ist der Kühlfluidzulauf 23 mit der ersten Kühlfluidkammer 20 und der Kühlfluidablauf 24 mit der letzten Kühlfluidkammer 22 verbunden. Die Leitungseinrichtung 18 ist in zwei Gruppen 25, 26, eine erste Gruppe 25 und eine letzte Gruppe 26, von Kühlfluidkanälen 19 gegliedert. Die Kühlfluidkanäle 19 der ersten Gruppe 25 sind an ihrem einen Ende mit der ersten Kühlfluidkammer 20 und an ihrem anderen Ende mit einer zwischengeordneten Kühlfluidkammer 21 verbunden. Die Kühlfluidkanäle 19 der letzten Gruppe 26 sind an ihrem einen Ende mit der zwischengeordneten Kühlfluidkammer 21 und an ihrem anderen Ende mit der letzten Kühlfluidkammer 22 verbunden. Zwischen der ersten Kühlfluidkammer 20 und der zwischengeordneten Kühlfluidkammer 21 ist eine Umgehung 2 Innenraums 17 vorgesehen. Die Umgehung 27 nimmt einen Teilstrom des Kühlfluids auf. Der andere Teilstrom wird durch die Kühlfluidkanäle 19 der ersten Gruppe 25 geführt. In der zwischengeordneten Kühlfluidkammer 21 werden diese Teilströme wieder vereint. In Strömungsrichtung 30 des Abgases ist die erste Gruppe 25 der Kühlfluidkanäle 19 vor der letzten Gruppe 26 der Kühlfluidkanäle 19 angeordnet.
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8 zeigt eine Ansicht der Leitungseinrichtung 17 des in den 1 bis 7 dargestellten Abgaswärmetauschers 10. Die Leitungseinrichtung 17 besteht aus einer Vielzahl an Kühlfluidkanälen 19, die in eine erste Gruppe 25 und eine letzte Gruppe 26 aufgeteilt sind.
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9 zeigt eine Ansicht des Hohlkörpers 14 des in den 1 bis 7 dargestellten Abgaswärmetauschers 10. Der Hohlkörper 14 ist aus ebenen Blechtafeln zusammengesetzt und hat in seiner Oberfläche Durchbrechungen 28 für die in den 3, 4, 5, 7 und 8 gezeigten Kühlfluidkanäle 19. Die Kühlfluidkanäle 19 durchbrechen die Oberfläche des Hohlkörpers 14 weitestgehend orthogonal.
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10 zeigt die Kühlfluidkammern 20, 21, 22 des in den 1 bis 7 dargestellten Abgaswärmetauschers 10. Die Kühlfluidkammern 20, 21, 22 sind als Wannen ausgebildet, die außen auf den in 9 dargestellten Hohlkörper 14 aufgesetzt sind. Sie haben aufgrund ihrer Anordnung an der Außenseite des Hohlkörpers 14 keinen Kontakt zum Abgas. Dargestellt sind weiterhin der Kühlfluidzulauf 23, der Kühlfluidablauf 24 und die Umgehung 27. Die Umgehung 27 ist als Hohlkasten ausgebildet und hat eine Öffnung 31 zu der ersten Kühlfluidkammer 20 und eine nicht dargestellte Öffnung zu der zwischengeordneten Kühlfluidkammer 21.
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11 zeigt den in den 1 bis 7 dargestellten Abgaswärmetauscher 10. Anhand der Strömung des Kühlfluids lässt sich die Funktionsweise des Abgaswärmetauschers 10 erläutern. Das Abgas durchströmt den Abgaswärmetauscher 10 von der Gaseinlassöffnung 15 zu der Gasauslassöffnung 16. Das Kühlfluid tritt durch den Kühlfluidzulauf 23 in die erste Kühlfluidkammer 20 ein und wird in dieser auf die Kühlfluidkanäle 19 der ersten Gruppe 25 und die Umgehung 27 verteilt. In den Kühlfluidkanälen 19 durchquert das Kühlfluid den Innenraum 17 des Abgaswärmetauschers 10 normal zur Strömungsrichtung 30 des Abgases. Dadurch kommt es zwischen dem Kühlfluid in den Kühlfluidkanälen 19 der ersten Gruppe 25 und dem Abgas zum Wärmeaustausch. In der zwischengeordneten Kühlfluidkammer 21 werden die beiden Kühlmittelteilströme aus den Kühlfluidkanälen 19 der ersten Gruppe 25 und der Umgehung 27 wieder vereint. Anschließend strömt das Kühlmittel durch die Kühlfluidkanäle 19 der letzten Gruppe 26 und quert nochmals den Abgasstrom, wodurch es wiederum zum Wärmeaustausch mit dem Abgas kommt. Über die letzte Kühlfluidkammer 22 und den Kühlfluidablauf 24 verläßt das Kühlfluid dann den Abgaswärmetauscher 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasrückführanordnung
- 3
- Brennraum
- 4
- Frischgaseinlass
- 5
- Abgasauslass
- 6
- Turbine
- 7
- Turbolader
- 8
- Umgebung
- 9
- Kanal
- 10
- Abgaswärmetauscher
- 11
- Abgasrückführventil
- 12
- Verdichter
- 13
- Ladeluftkühler
- 14
- Hohlkörper
- 15
- Gaseinlassöffnung
- 16
- Gasauslassöffnung
- 17
- Innenraum
- 18
- Leitungseinrichtung
- 19
- Kühlfluidkanal
- 20
- erste Kühlfluidkammer
- 21
- zwischengeordnete Kühlfluidkammer
- 22
- letzte Kühlfluidkammer
- 23
- Kühlfluidzulauf
- 24
- Kühlfluidablauf
- 25
- erste Gruppe
- 26
- letzte Gruppe
- 27
- Umgehung
- 28
- Durchbrechung
- 29
- Strömungsrichtung des Kühlfluids
- 30
- Strömungsrichtung des Abgases
- 31
- Öffnung
- 32
- Abgasreinigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1096131 A1 [0003]
- DE 10309807 A1 [0004]
