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Die Erfindung betrifft eine insbesondere nach dem Diesel-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine mit mehrstufiger Aufladung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine.
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Es ist verbreitet, Brennkraftmaschinen, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt werden, mit einer Aufladung durch beispielsweise Abgasturbolader auszustatten. Durch die Aufladung wird der Druck des einem Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgases erhöht, wodurch sich die Füllung der Brennräume, damit die Menge des pro Arbeitstakts umsetzbaren Kraftstoffs und folglich die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht. Zusätzlich kann durch eine Aufladung der Wirkungsgrad insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine erhöht werden.
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Eine Klasse von, Brennkraftmaschinen ist mit einer mehrstufigen Aufladung durch Abgasturbolader ausgestattet. Dabei sind zwei Abgasturbolader vorgesehen, deren Verdichter und Turbinen in Reihe in den Frischgas- bzw. den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert sind. Die zwei Abgasturbolader bewirken – je nach Bereich des Kennfelds, in dem der Verbrennungsmotor gerade arbeitet – die Verdichtung des Frischgases entweder alternativ oder kombiniert. Dabei kann vorgesehen sein, einen der Abgasturbolader kleiner, d. h. mit einem geringeren Volumendurchsatz sowohl des Abgases durch die Turbine als auch des Frischgases durch den Verdichter, als den anderen Abgasturbolader auszuführen. Dabei ist regelmäßig der kleinere Abgasturbolader näher am Verbrennungsmotor angeordnet als der größere Abgasturbolader. Der kleiner Abgasturbolader wird daher auch als Hochdruck-Abgasturbolader („HD-Abgasturbolader”) und der größere Abgasturbolader als Niederdruck-Abgasturbolader („ND-Abgasturbolader”) bezeichnet. Der Vorteil des kleineren HD-Abgasturbolader liegt in seiner geringeren Trägheit, die für ein gutes Ansprechen bei plötzlicher Lastanforderung aus einer niedrigen Lastanforderung heraus sorgt. Der Vorteil des großen ND-Abgasturboladers liegt in seinem großen Durchsatzvermögen, das eine hohe Verdichterleistung ermöglicht. Aus diesen Vorteilen der beiden Abgasturbolader folgend kommt in einem Bereich des Kennfelds des Verbrennungsmotors, das durch eine niedrige bis mittlere Leistung des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist, regelmäßig der HD-Abgasturbolader alleine zum Einsatz, wobei der ND-Abgasturbolader über Bypässe der Turbine und des Verdichters umgangen wird. In einem Bereich des Kennfelds mit hoher bis höchster Leistung kommt dagegen ausschließlich der ND-Abgasturbolader zum Einsatz. Und schließlich kann in einem dazwischen liegenden Bereich des Kennfelds mit mittleren bis hohen Leistungen ein kombinierter Einsatz beider Abgasturbolader vorgesehen sein.
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Durch eine Verdichtung des Frischgases und der damit verbundenen Temperaturerhöhung wird dessen spezifisches Volumen erhöht, was den angestrebten Erfolg der Aufladung, nämlich die Verbesserung der Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors teilweise aufheben würde. Es ist daher bekannt, das Frischgas vor dem Eintritt in die Brennräume des Verbrennungsmotors mittels eines Ladeluftkühlers zu kühlen. Dabei kommen regelmäßig flüssigkeitsgekühlte Ladeluftkühler zum Einsatz, die gegenüber den ebenfalls bekannten luftgekühlten Ladeluftkühlern den Vorteil einer besseren spezifischen (bezogen auf die Baugröße) Kühlleistung sowie einer einfachen Umsetzung einer regelbaren Kühlleistung („Temperaturmanagement”) aufweisen.
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Insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen ist es geläufig, einen Teil des Abgases in den Frischgasstrang zurück zu führen, wo dieses mit dem Frischgas wieder in de Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht wird. Dadurch können die bei der Verbrennung in den Brennräumen auftretenden Spitzentemperaturen gesenkt werden. Dies führt zu einer Verringerung von Stickoxiden (NOx) in dem Abgas.
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Bei der sogenannten externen Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR), wird das Abgas bereits stromauf der (ersten) Turbine aus dem Abgasstrang abgezweigt und stromab des (letzten) Verdichters in den Frischgasstrang eingebracht. Für die HD-AGR ist ein geeignetes Spülgefälle zwischen der Auslass- und der Einlassseite des Verbrennungsmotors erforderlich. Eine HD-AGR ist daher vielfach nur bei niedriger bis mittlerer Leistung des Verbrennungsmotors vorgesehen.
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Weiterhin bekannt ist die sogenannte Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR), bei der das Abgas stromab der (letzten) Turbine aus dem Abgasstrang abgezweigt und stromauf des (ersten) Verdichters in den Frischgasstrang eingebracht wird. Vorteile der ND-AGR gegenüber der HD-AGR sind das weniger nachteilige Druckgefälle sowie die bessere Gleichverteilung des rückgeführten Abgases in dem Frischgas. Nachteile sind die höhere Temperaturbelastung des/der Verdichter und deren mögliche Verschmutzung durch das Abgas.
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Aus der
DE 10 2008 030 569 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer zweistufigen Abgasturboaufladung bekannt, bei der zwei parallel geschaltete HD-ATL mit einem in Reihe geschalteten ND-ATL kombiniert sind. Dort sind weiterhin zwei Ladeluftkühler vorgesehen, von denen einer zwischen dem ND-ATL und den beiden HD-ATL und der andere stromab aller ATL in den Frischgasstrang integriert sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennkraftmaschine mit mehrstufiger Aufladung anzugeben. Insbesondere sollte die anzugebende Brennkraftmaschine eine Niederdruckabgasrückführung im gesamten Kennfeld des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine ermöglichen und dabei vorzugsweise in konstruktiv einfacher Weise eine ausreichende Ladeluftkühlungsleistung auch für eine durch die mehrstufige Aufladung ermöglichte Auslegung als Hochleistungsbrennkraftmaschine ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest:
- – einen Verbrennungsmotor;
- – einen Abgasstrang mit mindestens einer (ersten) Turbine;
- – einen Frischgasstrang mit
– einem ersten Verdichter und einem mit dem ersten Verdichter in Reihe geschalteten zweiten Verdichter,
– einem ersten Ladeluftkühler, der zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter angeordnet ist, und
– einem zweiten Ladeluftkühler, der stromab des ersten und des zweiten Verdichters angeordnet ist,
– einem (ersten) Bypass, über den der erste Verdichter und der erste Ladeluftkühler umgehbar sind, und
- – eine Niederdruckabgasrückführung, die den Abgasstrang stromab der Turbine mit dem Frischgasstrang stromauf des (ersten) Bypasses verbindet.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Turbine und die Verdichter Elemente von Abgasturboladern darstellen, d. h. insbesondere die (erste) Turbine und der erste Verdichter bilden einen Niederdruckabgasturbolader aus, während eine vorzugsweise in den Abgasstrang integrierte zweite Turbine und der zweite, Verdichter einen Hochdruckabgasturbolader ausbilden.
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Durch die Kombination von zwei Ladeluftkühlern, von denen einer, der erste, als zwischen den beiden. Verdichtern angeordneter Zwischenladeluftkühler ausgebildet ist, kann eine ausreichende Gesamtkühlleistung auch bei einer Auslegung des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine mit hoher spezifischer Leistung erreicht werden. Durch den Bypass zur bedarfsweisen Umgehung des ersten Verdichters und des ersten Ladeluftkühlers besteht zudem die Möglichkeit, den ersten Ladeluftkühler vorteilhafterweise als luftgekühlter Ladeluftkühler auszubilden, der sich gegenüber einem wassergekühlten Ladeluftkühler durch geringere Kosten und eine vorteilhafte Integration in einen Motorraum eines Kraftfahrzeugs, in dem die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen kann, auszeichnet.
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Die Gefahr eines Auskondensierens von Wasser aus dem rückgeführten Abgas indem ggf. nicht hinsichtlich seiner Kühlleistung regelbaren, luftgekühlten ersten Ladeluftkühler kann dadurch ausgeräumt werden, dass der erste Ladeluftkühler in demjenigen Bereich des Kennfelds des Verbrennungsmotors, in dem die Abgastemperatur so niedrig ist, dass eine relevante Menge an Kondensat in dem ersten Ladeluftkühler anfallen würde, mittels des Bypasses umgangen wird. Bei diesem Bereich handelt es sich insbesondere um den Bereich des Kennfelds, der durch eine niedrige bis mittlere Leistung des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist. Dabei kann – wie im Stand der Technik üblich – der stromauf des ersten Ladeluftkühler eingesetzte (Niederdruck-)Verdichter ungenutzt sein, so dass die zusätzliche Kühlleistung des ersten Ladeluftkühlers auch nicht benötigt wird. Befindet sich dagegen der Verbrennungsmotor in Bereichen des Kennfelds mit mittlerer bis höchster Leistung, in der die zusätzliche Kühlleistung des ersten Ladeluftkühlers vorteilhaft ist, so ist infolge der erhöhten Temperatur des rückgeführten Abgases die Kondensationsgefahr gering.
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Im Ergebnis ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine, ein Verfahren zu deren Betrieb, bei dem über das gesamte Kennfeld des Verbrennungsmotors eine Niederdruckabgasrückführung erfolgt, ohne dass es zu einem problematischen Kondensieren von Wasser in dem Frischgasstrang kommt.
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Während der erste, der Zwischen-Ladeluftkühler aufgrund der damit verbundenen konstruktiven Vorteile vorzugsweise luftgekühlt ist, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen, dass der zweite Ladeluftkühler flüssigkeitsgekühlt und insbesondere wassergekühlt ist. Neben der relativ einfachen Umsetzung einer Regelung der Kühlleistung zeichnet sich ein flüssigkeitsgekühlter Ladeluftkühler (zumindest jedoch die direkt in den Frischgasstrang integrierten Teile davon) durch eine hohe spezifische, auf die Baugröße bezogene Kühlleistung aus. Bei einer vorgegebenen Kühlleistung kann der zweite Ladeluftkühler somit vergleichsweise klein ausgebildet sein.
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Dies ermöglicht, in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, den zweiten Ladeluftkühler in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors zu integrieren, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass dabei der Ladeluftkühler – in Gravitationsrichtung – (mit der niedrigsten Stelle seiner Frischgasführung) oberhalb der (höchsten Stellen der) Einlasskanäle des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Dadurch kann vermieden werden, dass sich eine größere Menge Kondensat in dem zweiten Ladeluftkühler ansammelt und dann mit inhomogener Verteilung in die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht wird, was zu einer negativen Beeinflussung des Verbrennungsprozesses führen könnte. Durch die bevorzugte Anordnung des zweiten Ladeluftkühlers in dem Saugrohr oberhalb der Einlasskanäle kann dagegen eine weitegehend konstante und homogene Verteilung des im Wesentlichen als Aerosol vorliegenden Kondensats auf die Brennräume erreicht werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
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2: eine mögliches Kennfeld für den Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß der 1.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vierzylindriger Dieselmotor ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin einen Abgasstrang, über den das bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in von dem Verbrennungsmotor ausgebildeten Brennräumen entstehende Abgas abgeführt wird. In den Abgasstrang ist eine erste Turbine 12 als Teil eines Niederdruck-Abgasturboladers (ND-ATL) integriert. Die erste Turbine 12 ist mittels eines steuerbaren oder regelbaren (ersten) Bypasses 14 in Form eines sogenannten Wastegates umgehbar. Weiterhin ist in den Abgasstrang – stromauf der ersten Turbine 12 – eine zweite Turbine 16 als Teil eines Hochdruck-Abgasturboladers (HD-ATL) integriert. Auch die zweite Turbine 16 ist mittels eines regelbaren (zweiten) Bypasses 18 umgehbar.
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Die beiden Abgasturbolader umfassen jeweils noch einen Verdichter 20, 22, der mit der jeweiligen Turbine 12, 16 über eine Welle drehfest verbunden ist. Die beiden Verdichter 20, 22 sind in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integriert, wobei der (erste) Verdichter 20 des Niederdruck-Abgasturboladers stromauf des (zweiten) Verdichters 22 des Hochdruck Abgasturboladers angeordnet ist.
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Zwischen den beiden Verdichtern 20, 22 ist ein erster Ladeluftkühler 24 angeordnet, der luftgekühlt ausgeführt ist. Weiterhin ist ein zweiter Ladeluftkühler 26 vorgesehen, der flüssigkeitsgekühlt ist. Der zweite Ladeluftkühler 26 ist in ein Saugrohr 28 des Verbrennungsmotors 10 integriert, wobei vorgesehen ist, dass die niedrigste Stelle dessen das Frischgas führenden Innenvolumens oberhalb der höchsten Stellen der Einlasskanäle des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist.
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In den Frischgasstrang ist weiterhin ein regelbarer (dritter) Bypass 30 integriert, über den (in seinem geöffneten Zustand) das Frischgas an dem ersten Verdichter 20 und dem ersten Ladeluftkühler 24 vorbei geführt werden kann. Weiterhin ist ein regelbarer (vierter) Bypass 32 vorgesehen, über den in dem geöffneten Zustand seines Regelelements der zweite Verdichter 22 umgehbar ist. Über einen fünften Bypass 34 ist der in das Saugrohr 28 des Verbrennungsmotors 10 integrierte (zweite) Ladeluftkühler 26 umgehbar.
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Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin noch eine Hochdruckabgasrückführung (HD-AGR) 36, die stromauf der zweiten Turbine 16, d. h. direkt hinter dem Verbrennungsmotor 10 aus dem Abgasstrang abzweigt und vor dem motornahen (zweiten) Ladeluftkühler 26 in den Frischgasstrang mündet. Die HD-AGR 36 umfasst einen (ersten) Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) 38, der mittels eines regelbaren (sechsten) Bypasses 40 umgehbar ist. Weiterhin ist noch eine Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR) 42 vorhanden, die stromab der ersten Turbine 12 aus dem Abgasstrang abzweigt und stromauf des ersten Verdichters 20 bzw. des dritten Bypasses 30 in den Frischgasstrang mündet. Auch in die ND-AGR 42 ist ein (zweiter) AGR-Kühler 43 integriert.
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Die 2 zeigt ein mögliches Kennfeld für den Betrieb des Verbrennungsmotors 10 der Brennkraftmaschine. Darin ist das an einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotor anliegende Drehmoment (M) über der Drehzahl (n) der Kurbelwelle aufgetragen. Da die von dem Verbrennungsmotor 10 abgegebene Leistung proportional zu dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl ist, gelangt man tendenziell in einen Bereich höherer Leistung, sofern man sich in dem Kennfeld von links nach recht sowie von unten nach oben – und im besonderen Maße, wenn man sich diagonal von links unten nach recht oben bewegt.
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In dem Kennfeld der 2 sind insgesamt drei Bereiche definiert, die sich im wesentlichen hinsichtlich der zum Einsatz kommenden Abgasturbolader und Abgasrückführungen unterscheiden.
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In einem ersten Bereich 44, der durch niedrige bis mittlere Leistungen des Verbrennungsmotors 10 gekennzeichnet ist, ist im Wesentlichen ausschließlich der HD-ATL im Betrieb. Sowohl die Turbine als auch der Verdichter des ND-ATL werden mittels der entsprechenden Bypässe 14, 30 umgangen. Der im Wesentlichen ausschließliche Betrieb des relativ zu dem ND-ATL kleineren und daher mit einer geringeren Trägheit belasteten HD-ATL weist bei niedrigen bis mittleren Lasten den Vorteil eines vergleichsweise guten Ansprechverhaltens bei einer spontan erhöhten Lastanforderung auf.
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Durch ein Öffnen des (dritten) Bypasses 30 zur Umgehung des Verdichters des ND-ATL wird gleichzeitig auch der erste Ladeluftkühler 24 umgangen. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Gefahr des Kondensierens von Wasser in dem luftgekühlten Ladeluftkühler 24 vermieden wird. Da der Verdichter 20 des ND-ATL nicht im Betrieb ist, besteht kein zusätzlicher Bedarf zur Kühlung des Frischgases. Das durch die Verdichtung im Verdichter 22 des HD-ATL erwärmte Frischgas wird in hinreichendem Maße in dem zweiten, in das Saugrohr integrierten Ladeluftkühler 26 gekühlt.
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In einem zweiten Bereich 46 des Kennfelds ist vorgesehen, dass beide Abgasturbolader sowie die ND-AGR 42 zum Einsatz kommen. Die HD-AGR 36 ist geschlossen. In diesem Betriebsbereich, der durch mittlere bis hohe Leistungen des Verbrennungsmotors 10 gekennzeichnet ist, führt die kombinierte Nutzung beider Abgasturbolader zu einem hohen Wirkungsgrad der Aufladung. In diesem Betriebsbereich ist die Temperatur des über die ND-AGR 42 rückgeführten Abgases selbst noch bei der Durchströmung des ersten Ladeluftkühlers 24 so hoch ist, dass dort ein Kondensieren von Wasser in problematischer Menge vermieden wird. Somit stellt die Ausbildung des ersten Ladeluftkühlers 24 als hinsichtlich der Kühlleistung nicht regelbarem, luftgekühltem Ladeluftkühler kein Problem dar.
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In einem dritten Bereich 48 des Kennfelds, das durch eine hohe bis höchste Leistung des Verbrennungsmotors 10 gekennzeichnet ist, kommen lediglich der ND-ATL sowie die ND-AGR 42 zum Einsatz. Der Verdichter 22 und die Turbine 16 des HD-ATL werden mittels der entsprechenden Bypässe 18, 32 umgangen, da der Verdichter 22 des zur Erzielung eines guten Ansprechverhaltens bei niedrigen bis mittleren Leistungen des Verbrennungsmotors bewusst klein dimensionierten HD-ATL in diesem Betriebsbereich an seine Stopfgrenze gelangen könnte.
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Zwischen dem ersten Bereich 44 und den, zweiten Bereich 46 des Kennfeld ist ein Übergangsbereich 50 dargestellt, der die möglichen Lagen der Grenzlinie zwischen diesen beiden Bereichen 44, 46 verdeutlicht. Der Übergang zwischen dem ersten Bereich 44 und dem zweiten Bereich 46 kann nämlich insbesondere in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen, wie z. B. der Umgebungstemperatur, in der die Brennkraftmaschine betrieben wird, variabel sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- erste Turbine
- 14
- erster Bypass
- 16
- zweite Turbine
- 18
- zweiter Bypass
- 20
- erster Verdichter
- 22
- zweiter Verdichter
- 24
- erster Ladeluftkühler
- 26
- zweiter Ladeluftkühler
- 28
- Saugrohr
- 30
- dritter Bypass
- 32
- vierter Bypass
- 34
- fünfter Bypass
- 36
- Hochdruckabgasrückführung
- 38
- erster Abgasrückführungskühler
- 40
- sechster Bypass
- 42
- Niederdruckabgasrückführung
- 43
- zweiter Abgasrückführungskühler
- 44
- erster Bereich des Kennfelds
- 46
- zweiter Bereich des Kennfelds
- 48
- dritter Bereich des Kennfelds
- 50
- Übergangsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008030569 A1 [0008]
