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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem ersten und einem zweiten Turbolader und einem Regler zum Regeln des ersten und/oder zweiten Turboladers, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Durch Turbolader kann einer Brennkraftmaschine druckaufgeladene Verbrennungsluft zugeführt und so der Betrieb der Brennkraftmaschine verbessert werden. Werden zwei Turbolader in Serie geschaltet, können diese an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kann ein trägerer Niederdruckturbolader durch einen agileren Hochdruckturbolader ergänzt werden, der einen kleineren Druckverhältnis-Massenstrom-Bereich abdeckt.
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Solche Turbolader können geregelt werden, um gewünschte Ladedrücke bereitzustellen. Bei einem abrupten Anstieg des gewünschten Ladedrucks kann es zu einem Überschwingen kommen: werden beide Turbolader aufgrund der Regeldifferenz zwischen einem Soll- und einem Ist-Gesamt-Druckverhältnis, d. h. einem Verhältnis der durch beide Turbolader gemeinsam geleisteten Druckerhöhung, mit einer großen Regelstellgröße beaufschlagt, kann es vorkommen, dass der trägere Niederdruckturbolader den Ladedruck weiter erhöht, obwohl aufgrund des in Serie wirkenden agileren Hochdruckturboladers bereits ein Soll-Ladedruck erreicht wurde. In ähnlicher Weise kann es zu einem Regelschwingen des Ladedrucks aufgrund der unterschiedlichen Trägheiten der in Serie geschalteten Turbolader kommen.
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Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem verbesserten Betriebsverhalten zur Verfügung zu stellen, insbesondere die vorgenannten Nachteile zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 8 stellt ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine unter Schutz, die Ansprüche 7 bzw. 15 ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine bzw. ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Brennkraftmaschine eine Zylinderanordnung mit einem, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr, insbesondere acht, zehn oder zwölf Zylindern auf. Die Zylinderanordnung kann eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches aufweisen bzw. als Ottomotor ausgebildet sein. Gleichermaßen kann die Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet sein. Der Kraftstoff kann in einer Ausführung vor und/oder in der Zylinderanordnung mit der Verbrennungsluft, insbesondere angesaugter Umgebungs- und/oder rezirkulierter Luft, vermischt, insbesondere direkt eingespritzt werden. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Primärantrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, und/oder zum Aufladen eines Energiespeichers eines Elektroantriebs eines solchen Kraftfahrzeugs eingerichtet.
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Die Brennkraftmaschine weist eine Luftzufuhrpassage zum Zuführen von Verbrennungsluft zu der bzw. in die Zylinderanordnung sowie eine Abgaspassage zum Abführen von Abgas von der bzw. aus der Zylinderanordnung auf. Eine Passage im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine oder mehrere, insbesondere auch wenigstens teilweise strömungstechnisch parallele, Leitungen bzw. Leitungsabschnitte aufweisen, die zur kompakteren Darstellung gemeinsam als Passage bezeichnet werden. In einer Ausführung kann in der Abgaspassage, insbesondere an einem stromabwärtigen Ende der Abgaspassage, eine Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere ein, vorzugsweise geregelter, Katalysator, angeordnet sein.
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Die Brennkraftmaschine weist einen ersten Turbolader mit einem in der Luftzufuhrpassage angeordneten ersten Verdichter und einer in der Abgaspassage angeordneten ersten Turbine zum Antreiben des ersten Verdichters sowie einen zwischen diesem ersten Turbolader und der Zylinderanordnung angeordneten zweiten Turbolader mit einem in der Luftzufuhrpassage angeordneten zweiten Verdichter und einer in der Abgaspassage angeordneten zweite Turbine zum Antreiben des zweiten Verdichters auf. Der erste und zweite Turbolader sind in einer Ausführung strömungstechnisch in Serie geschaltet. In einer Ausführung ist der erste Verdichter als Niederdruckverdichter, die erste Turbine als Niederdruckturbine, der zweite Verdichter als Hochdruckverdichter und/oder die zweite Turbine als Hochdruckturbine ausgebildet, wobei ein Niederdruckverdichter zum Verdichten auf ein niedrigeres Druckniveau als ein Hochdruckverdichter, eine Hochdruckturbine zum Entspannen auf ein höheres Druckniveau ausgebildet ist.
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In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die Brennkraftmaschine eine erste Bypasspassage, die zu der ersten Turbine strömungstechnisch parallel und durch ein erstes Stellglied, insbesondere teilweise, absperrbar ist, eine zweiten Bypasspassage, die zu der zweiten Turbine strömungstechnisch parallel und durch ein zweites Stellglied, insbesondere teilweise, absperrbar ist, und/oder eine dritten Bypasspassage auf, die zu dem zweiten Verdichter strömungstechnisch parallel und durch ein drittes Stellglied, insbesondere teilweise, absperrbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann sie eine weitere Bypasspassage aufweisen, die zu dem ersten Verdichter strömungstechnisch parallel und durch ein weiteres Stellglied, insbesondere teilweise, absperrbar ist.
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Ein Stellglied kann in einer Ausführung, insbesondere durch ein hierzu eingerichtetes Stellmittel des Reglers, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch, betätigt werden. In einer Ausführung kann ein Stellglied durch Unterdruck betätigt werden, in einer Weiterbildung können mehrere Stellmittel mit derselben Druckquelle, insbesondere Unterdruckquelle, kommunizieren. Ein Stellglied und/oder ein Stellmittel kann in einer Ausführung eine Drosselklappe, ein Ventil, insbesondere ein 2-Wege-Ventil oder ein Ventil mit variabler Öffnung, aufweisen, insbesondere sein. Unter einem Ventil im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, die eine Passage, insbesondere durch Ändern ihrer Position, insbesondere Verschwenken, absperren kann. Unter einem Ventil mit variabler Öffnung wird ein Ventil verstanden, dass außer einem – wenigstens im Wesentlichen – vollständig geöffneten und geschlossenen Zustand noch wenigstens einen weiteren Zwischenzustand aufweist, vorzugsweise mehrere diskrete Zwischenzustände oder welches kontinuierlich verstellt werden kann.
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Nach einem Aspekt weist die Brennkraftmaschine ein erstes Druckermittelungsmittel zum Ermitteln des Wertes einer ersten Druckgröße in der Luftzufuhrpassage stromaufwärts vor dem ersten Verdichter, ein zweites Druckermittelungsmittel zum Ermitteln des Wertes einer zweiten Druckgröße in der Luftzufuhrpassage zwischen dem zweiten Verdichter und der Zylinderanordnung, und ein drittes Druckermittelungsmittel zum Ermitteln des Wertes einer dritten Druckgröße in der Luftzufuhrpassage zwischen dem ersten und zweiten Verdichter auf.
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Eine Druckgröße im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere einen statischen, dynamischen und/oder Gesamtdruck, einen Absolut- oder Relativdruck, und/oder ein Druckverhältnis zwischen Drücken an unterschiedlichen Stellen aufweisen, insbesondere bezeichnen bzw. sein. In einer Ausführung weist ein Druckermittelungsmittel einen oder mehrere Drucksensoren zum Erfassen einer Druckgröße auf, die in einer Weiterbildung von einer elektronischen Logikeinheit des Druckermittelungsmittel und/oder einer externen Logikeinheit wie dem Motorsteuergerät weiterverarbeitet, beispielsweise gefiltert oder mit anderen Druckgrößen, insbesondere zu einer Druckdifferenz oder einem Druckverhältnis, umgewandelt und als von dem Druckermittelungsmittel ermittelte Druckgröße weiterverarbeitet, insbesondere von diesem aus- bzw. weitergegeben werden kann.
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Durch die Ermittelung der dritten Druckgröße in der Luftzufuhrpassage zwischen dem ersten und zweiten Verdichter können, insbesondere durch ein hierzu eingerichtetes Regelmittel, insbesondere einen, vorzugsweise elektronischen, Regler, der erste und/oder zweite Turbolader, insbesondere der erste und zweite Turbolader individuell, auf Basis der dritten Druckgröße und der ersten und/oder zweiten Druckgröße geregelt werden. Auf diese Weise kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden, in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung insbesondere verglichen mit einer gemeinsamen Regelung lediglich auf Basis der ersten und zweiten Druckgröße bzw. einem Gesamtdruckverhältnis über zwei in Serie geschaltete Turbolader. So kann in einer Ausführung ein in der Einleitung erläutertes Regelschwingen reduziert oder vermieden werden.
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Wird etwa, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Regelmittel, auf Basis der dritten Druckgröße erkannt oder abgeschätzt, dass der erste Verdichter einen ausreichenden Ladedruck bereits aufgebaut hat oder aufbauen wird, kann der Betrieb des zweiten Turboladers entsprechend reduziert, insbesondere eine Bypasspassage parallel zu dessen Verdichter und/oder Turbine geöffnet werden.
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In einer Ausführung können die erste und zweite Turboladeren, insbesondere komplementär, geregelt werden. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass eine Soll- bzw. Führungsgröße, auf die einer von dem ersten und zweiten Turbolader geregelt wird, ein Komplement zu einer Soll- oder Ist-Größe der Regelung des anderen von dem ersten und zweiten Turbolader ist. Liefert beispielsweise der erste Verdichter ein Ist-Druckverhältnis, kann das Soll-Druckverhältnis für den zweiten Verdichter als Quotient aus einem Soll-Gesamtdruckverhältnis und diesem Ist-Druckverhältnis vorgegeben werden, d. h. sich mit dem Ist-Druckverhältnis multiplikativ zu dem Soll-Gesamtdruckverhältnis ergänzen.
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Solche sequentiellen Regelungen können hochgradig nichtlineare Effekte verursachen. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird daher, insbesondere durch ein hierzu eingerichtetes Auswahlmittel des Regelmittels, wahlweise ein erster Modus, in dem der erste Turbolader gesteuert und der zweite Turbolader geregelt wird, oder ein zweiter Modus, in dem der zweite Turbolader gesteuert und der erste Turbolader geregelt wird, ausgeführt. Auf diese Weise interferiert die Regelung der einen Turbolader nicht mit der anderen Turbolader, die gesteuert wird.
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Unter einem Steuern eines Turboladers („open-loop control”) im Sinne der vorliegenden Erfindung wird in fachüblicher Weise die Ausgabe bzw. Umsetzung einer Steuergröße für den Turbolader unabhängig von der ersten, zweiten und/oder dritten Druckgröße verstanden, insbesondere die Ausgabe einer vorgegebenen Steuergröße, wobei diese in einer Weiterbildung von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Drehzahl und/oder einem Massenstrom, abhängen kann. In einer Ausführung wird unter einem Steuern insbesondere ein Umschalten zwischen einer – wenigstens im Wesentlichen – vollständig geöffneten und einer – wenigstens im Wesentlichen – vollständig geschlossenen Bypasspassage verstanden, in einer Weiterbildung auch das Vorgeben einer bestimmten Öffnung der Bypasspassage, wobei diese bestimmte Öffnung bzw. dieser bestimmte Öffnungsgrad insbesondere vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Drehzahl und/oder einem Massenstrom, abhängen kann.
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Unter einem Regeln („closed-loop control”) im Sinne der vorliegenden Erfindung wird entsprechend in fachüblicher Weise die Ausgabe bzw. Umsetzung einer Steuergröße in Abhängigkeit bzw. Basis von der ersten, zweiten und/oder dritten Druckgröße verstanden, insbesondere einer Steuergröße, die proportional zu einer Regeldifferenz zwischen dieser Ist- und einer Soll-Druckgröße und/oder deren Ableitung und/oder Integral ist. In einer Ausführung wird unter einem Regeln insbesondere ein Verstellen bzw. variables, insbesondere teilweises Öffnen bzw. Schließen einer Bypasspassage in Abhängigkeit von der ersten, zweiten und/oder dritten ermittelten bzw. Ist-Druckgröße verstanden.
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In einer Ausführung kann, insbesondere durch den hierzu eingerichteten Regler, der erste Turbolader auf Volllast gesteuert, insbesondere eine Bypasspassage, die die erste Turbine umgeht und diese somit stilllegen kann, – wenigstens im Wesentlichen – vollständig geschlossen werden. In einer Weiterbildung kann die Volllast insbesondere von einem Massenstrom abhängen bzw. eine Steuergröße vorgegeben werden, die wie vorstehend beschrieben von dem Massenstrom abhängt. Der erste Turbolader kann also in Abhängigkeit von dem Massenstrom gesteuert werden, indem ein Öffnungsgrad der Bypasspassage, insbesondere in Abhängigkeit von einem Massenstrom, vorgegeben wird. Der zweite Turbolader kann dann, insbesondere durch den hierzu eingerichteten Regler, geregelt einen gewünschten bzw. Soll-Ladedruck bzw. ein Soll-Gesamtdruckverhältnis realisieren.
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Zusätzlich oder alternativ kann, insbesondere durch den hierzu eingerichteten Regler, der zweite Turbolader außer Betrieb gesteuert, insbesondere eine Bypasspassage, die die zweite Turbine umgeht und diese somit stilllegen kann, – wenigstens im Wesentlichen – vollständig geöffnet werden. Der erste Turbolader kann dann, insbesondere durch den hierzu eingerichteten Regler, alleine geregelt einen gewünschten bzw. Soll-Ladedruck bzw. ein Soll-Gesamtdruckverhältnis realisieren.
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Allgemeiner kann in einer Ausführung, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Regelmittel, in dem ersten Modus eine erste Bypasspassage, die zu der ersten Turbine strömungstechnisch parallel ist, geschlossen oder auf eine vorgegebene Öffnung gesteuert sein bzw. werden, die insbesondere einer maximal zulässigen Belastung des ersten Verdichters und/oder der ersten Turbine entsprechen kann, und/oder in dem zweiten Modus eine dritte Bypasspassage, die zu dem zweiten Verdichter strömungstechnisch parallel ist, und/oder eine zweite Bypasspassage, die zu der zweiten Turbine strömungstechnisch parallel ist, geöffnet sein bzw. werden.
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In einer Ausführung kann im ersten und zweiten Modus mit derselben Regelstruktur, insbesondere einer Proportional-, Integral- und/oder Differentialregelung, geregelt werden. Entsprechend kann das Regelmittel eine gemeinsame Regelstruktur bzw. denselben Regler zum Regeln des ersten Turboladers in dem zweiten Modus und zum Regeln des zweiten Turboladers in dem ersten Modus aufweisen. In einer Weiterbildung kann, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, derselbe Regler wahlweise mit unterschiedlichen Regelparametern, beispielsweise unterschiedlichen Proportional-, Integral- und/oder Differentialverstärkungen bzw. -koeffizienten belegt und demselben Regler wahlweise eine Regeldifferenz auf Basis der ersten oder zweiten Druckgröße zugeführt werden.
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Verdichter und Turbine eines Turboladers sind in einer Ausführung miteinander, insbesondere mechanisch, vorzugsweise direkt, gekoppelt, so dass die durch das Abgas getriebene Turbine ihrerseits den Verdichter treibt, um Verbrennungsluft zu verdichten. Entsprechend kann in einer Ausführung ein Verdichter eines Turboladers insbesondere gesteuert oder geregelt werden, indem die mit ihm gekoppelte Turbine gesteuert bzw. geregelt wird.
- StellgliedStellgliedStellgliedStellgliedStellgliedStellmittelReglerStellgliedStellmittelStellgliedStellmittel
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Zusätzlich zu dem vorstehend erläuterten ersten und zweiten Modus, in denen jeweils ein Turbolader geregelt und der andere gesteuert wird, in einer Weiterbildung auch zusätzlich zu einem weiteren Modus, in dem beide Turbolader geregelt werden, kann in einer Ausführung, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, wahlweise ein dritter Modus ausgeführt werden, in dem der erste und zweite Turbolader beide gesteuert werden. Insbesondere können beide Turbolader – wenigstens im Wesentlichen – außer Betrieb gesetzt werden, wenn kein Ladedruck erforderlich bzw. gewünscht ist. Auf diese Weise kann in einer Ausführung einerseits ein Regelschwingen reduziert und auf der anderen Seite individuell auf verschiedene Betriebszustände reagiert werden.
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Insbesondere bei pneumatisch, vorzugsweise unterdruckbetätigten, Stellgliedn kann es vorteilhaft sein, diese in einer geöffneten Stellung leicht vorzuspannen, um so rascher reagieren zu können. Auf der anderen Seite kann es, insbesondere zum Aufheizen einer Abgasreinigungseinrichtung, vorteilhaft sein, Stellglied komplett zu öffnen. Daher ist in einer Ausführung ein von dem vorstehend erläuterten dritten Modus verschiedener vierter Modus vorgesehen, in dem die erste und zweite Turbolader in anderer Weise gesteuert werden. Insbesondere können in dem dritten Modus ein oder mehrere der vorstehend erläuterten Stellglied mit einer, vorzugsweise geringen, insbesondere konstanten, Steuergröße, insbesondere einem pneumatischen Steuer(unter)druck beaufschlagt werden, in dem vierten Modus hingegen mit einer hiervon verschiedenen, insbesondere – wenigstens im Wesentlichen – verschwindenden Steuergröße. Insbesondere kann im dritten Modus wenigstens ein Ventil in einer Bypasspassage, insbesondere geringfügig, geschlossen gesteuert werden, in dem vierten Modus demgegenüber weiter, insbesondere – wenigstens im Wesentlichen- komplett geöffnet.
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In einer Ausführung kann zwischen den Modi, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, in Abhängigkeit von der ersten, zweiten und/oder dritten Druckgröße, einer Soll-Druckgröße, einer Luftmassenstromgröße und/oder einer Drehzahl und/oder Temperatur der Brennkraftmaschine ausgewählt bzw. umgeschaltet werden. Entsprechend kann die Brennkraftmaschine ein Massenstromermittelungsmittel zum Ermitteln eines Massenstroms in der Luftzufuhr- und/oder Abgaspassage, insbesondere einen Massenstromsensor oder eine Verarbeitungseinheit zum Ermitteln des Massenstroms auf Basis anderer Betriebsparameter wie Drosselklappenstellung und dergleichen, ein Drehzahlermittelungsmittel, insbesondere einen Drehzahlsensor, zum Ermitteln einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, und/oder ein Temperaturermittelungsmittel, insbesondere einen Temperatursensor oder eine Verarbeitungseinheit zum Ermitteln einer Temperatur auf Basis anderer Betriebsparameter wie Motorleistung, Abgaszusammensetzung und dergleichen, zum Ermitteln einer Temperatur der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Abgasreinigungseinrichtung der Brennkraftmaschine, aufweisen, die mit dem Regelmittel signalverbunden sind bzw. Daten an dieses übertragen. Auch ein solches Umschalten auf Basis der dritten und der ersten und/oder zweiten Druckgröße kann ein Regeln auf Basis der dritten und der ersten und/oder zweiten Druckgröße im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen.
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In einer Ausführung kann, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, in den ersten oder zweiten Modus geschaltet werden, wenn eine Soll-Druckgröße, insbesondere ein Soll-Ladedruck einen Umgebungsdruck oder die erste Druckgröße übersteigt bzw. ein Soll-Gesamtdruckverhältnis größer ist als 1.
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Insbesondere dabei kann, vorzugsweise durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, in den ersten Modus geschaltet werden, wenn eine ermittelte Drehzahl der Brennkraftmaschine einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, der insbesondere größer als 1.500 Umdrehungen/Minute, vorzugsweise größer als 2.000 Umdrehungen/Minute und bevorzugt größer als 3.000 Umdrehungen/Minute, und/oder kleiner als 4.500 Umdrehungen/Minute, vorzugsweise kleiner als 4.000 Umdrehungen/Minute und bevorzugt kleiner als 3.500 Umdrehungen/Minute sein kann. Wenn die ermittelte Drehzahl der Brennkraftmaschine den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann, vorzugsweise durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, in den zweiten Modus geschaltet werden.
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In einer Ausführung kann, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, zwischen dem ersten und zweiten Modus auf Basis einer Soll-Druckgröße, insbesondere eines Soll-Druckverhältnisses bzw. einer Soll-Druckerhöhung des zweiten Verdichters umgeschaltet werden. Hierzu kann in einer Weiterbildung diese Soll-Druckgröße bestimmt werden, beispielsweise derart, das mit einem aktuellen bzw. Ist-Druckverhältnis des ersten Verdichters ein Soll-Ladegesamtdruck bzw. eine Soll-Gesamtdruckerhöhung beider Verdichter erreicht wird. Ist diese Soll-Druckgröße des zweiten Verdichters größer als ein vorgegebener Grenzwert, beispielsweise ein Soll-Druckverhältnisses des zweiten Verdichters größer als eins, so kann in den zweiten Modus geschaltet werden, in dem der erste Verdichter mit einer, insbesondere vom Massenstrom abhängigen, vorgegebenen Steuergröße gesteuert und der zweite Verdichter auf Basis der zweiten und dritten Druckgröße geregelt wird.
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Ist umgekehrt diese Soll-Druckgröße des zweiten Verdichters kleiner als der vorgegebene Grenzwert, beispielsweise das Soll-Druckverhältnis kleiner oder gleich eins, so kann in den ersten Modus geschaltet werden, in dem der zweite Verdichter stillgesetzt gesteuert und der erste Verdichter auf Basis der ersten und dritten Druckgröße geregelt wird.
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Wenn eine ermittelte Temperatur den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann, vorzugsweise durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, in den vierten Modus geschaltet werden. Wenn die ermittelte Temperatur den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, kann, vorzugsweise durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, in den ersten, zweiten oder dritten Modus geschaltet werden, insbesondere in Abhängigkeit von dem Soll-Ladedruck und/oder der Drehzahl.
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In einer Ausführung kann, insbesondere durch das hierzu eingerichtete Auswahlmittel, von dem ersten in den zweiten Modus geschaltet werden, wenn ein Soll-Druckverhältnis des zweiten Verdichters kleiner oder gleich 1 ist bzw. wird, d. h., wenn, insbesondere auf Basis der dritten Druckgröße, festgestellt wird, dass der erste Verdichter alleine eine ausreichende Druckerhöhung bewirkt. Zusätzlich oder alternativ kann von dem zweiten in den ersten Modus geschaltet werden, wenn ein Soll-Ladedruck die dritte Druckgröße übersteigt bzw. festgestellt wird, dass der erste Verdichter alleine keine ausreichende Druckerhöhung bewirkt.
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Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Brennkraftmaschine betreiben kann. Ein Regelmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung oder Teile eines solchen Regelmittels, insbesondere ein Auswahlmittel, können in einer Ausführung hard- und/oder softwaretechnisch ganz oder teilweise in eine elektronische Kontrolleinheit ECU, insbesondere eine Motorsteuerung, eines Kraftfahrzeugs integriert bzw. implementiert sein.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 eine Brennkraftmaschine mit einem Regler nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine der 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine in Form eines Ottomotors mit einem Regelmittel in Form eines elektronischen Reglers 4 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, das, insbesondere aufgrund einer Signalverbindung mit Sensoren sowie programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, das nachfolgend mit Bezug auf 2 erläuterte Verfahren auszuführen, insbesondere durch Ausführen eines Programmcodes, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium des Reglers 4 gespeichert ist.
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Die Brennkraftmaschine ist als Primärantrieb eines weiter nicht dargestellten Personenkraftwagens ausgebildet und weist eine Zylinderanordnung mit mehreren Zylindern 3 auf, von denen in 1 nur einer dargestellt ist. Die Zylinderanordnung 3 kommuniziert ventilgesteuert über Einlässe mit einer Luftzufuhrpassage 1 und ventilgesteuert über Auslässe mit einer Abgaspassage 2.
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Ein erster Turbolader der Brennkraftmaschine weist einen in der Luftzufuhrpassage 1 angeordneten ersten Verdichter 10 und eine damit über eine gemeinsame Welle mechanisch gekoppelte erste Turbine 11 zum Antreiben des ersten Verdichters 10 auf, die in der Abgaspassage 2 angeordnet ist.
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Hiermit in Serie geschaltet ist ein zweiter Turbolader, der zwischen dem ersten Turbolader und der Zylinderanordnung 3 angeordnet ist und eine in der Luftzufuhrpassage 1 zwischen erstem Verdichter 10 und Zylinderanordnung 3 angeordneten zweiten Verdichter 20 und eine zweite Turbine 21 zum Antreiben des zweiten Verdichters 20 aufweist, die in der Abgaspassage 2 zwischen der Zylinderanordnung 3 und der ersten Turbine 11 angeordnet ist.
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Ein erstes Druckermittelungsmittel in Form eines Drucksensors SP1 ist zum Ermitteln einer ersten Druckgröße in Form eines Absolutdrucks P1 eines Luftmassenstroms in der Luftzufuhrpassage 1 stromaufwärts vor dem ersten Verdichter 10 angeordnet und mit dem Regler 4 signalverbunden, beispielsweise über einen Datenbus. Ein zweites Druckermittelungsmittel in Form eines Drucksensors SP2 ist zum Ermitteln einer zweiten Druckgröße in Form eines Absolutdrucks P2 eines Luftmassenstroms in der Luftzufuhrpassage zwischen dem zweiten Verdichter 20 und der Zylinderanordnung 3 angeordnet und mit dem Regler 4 signalverbunden, beispielsweise über einen Datenbus. Der zweite Drucksensor SP2 kann, wie in 1 angedeutet, insbesondere stromabwärts von einem Ladeluftkühler vor oder hinter einer Drosselklappe angeordnet sein. Ein drittes Druckermittelungsmittel in Form eines Drucksensors SP12 ist zum Ermitteln einer dritten Druckgröße in Form eines Absolutdrucks P12 eines Luftmassenstroms in der Luftzufuhrpassage 1 zwischen dem ersten Verdichter 10 und dem zweiten Verdichter 20 angeordnet und mit dem Regler 4 signalverbunden, beispielsweise über einen Datenbus.
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In einer ersten Bypasspassage 51, die zu der ersten Turbine 11 strömungstechnisch parallel ist, ist ein erstes Stellglied in Form eines pneumatisch unterdruckbetätigten Regelventils 12 angeordnet, durch dass diese erste Bypasspassage 51 teilweise bzw. variabel absperrbar bzw. auf verschiedene Öffnungsquerschnitte verengt werden kann. In einer zweiten Bypasspassage 52, die zu der zweiten Turbine 21 strömungstechnisch parallel ist, ist ein zweites Stellglied in Form eines pneumatisch unterdruckbetätigten Regelventils 22 angeordnet, durch dass diese zweite Bypasspassage 52 teilweise bzw. variabel absperrbar bzw. auf verschiedene Öffnungsquerschnitte verengt werden kann. In einer dritten Bypasspassage 53, die zu dem zweiten Verdichter 20 strömungstechnisch parallel ist, ist ein drittes Stellglied in Form eines pneumatisch unterdruckbetätigten Regelventils 23 angeordnet, durch dass diese dritte Bypasspassage teilweise bzw. variabel absperrbar bzw. auf verschiedene Öffnungsquerschnitte verengt werden kann.
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Das Regler 4 kann über ein Stellmittel in Form einer Anordnung von Druckregelventilen 120, 220, 230 die Stellglied 12, 22 bzw. 23 pneumatisch betätigen, wie in 1 durch fett ausgezogene Unterdruckbetätigungsleitungen angedeutet. Hierzu ist das Regler 4 mit dem Stellmittel 120, 220, 230 signalverbunden, beispielsweise über einen Datenbus.
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Ein Massenstromermittelungsmittel in Form eines Sensors Sm zum Ermitteln eines Massenstroms m in der Luftzufuhrpassage 1 stromabwärts eines in 1 durch einen Kasten angedeuteten Luftfilters ist in der Luftzufuhrpassage 1 stromaufwärts vor dem ersten Verdichter 10 angeordnet und mit dem Regler 4 signalverbunden, beispielsweise über einen Datenbus. Zusätzlich ist das Regler 4 mit einem Drehzahlermittelungsmittel in Form eines Drehzahlmessers zum Ermitteln einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und einem Temperaturermittelungsmittel in Form eines Temperatursensors zum Ermitteln einer Temperatur der Brennkraftmaschine signalverbunden, die in 1 gemeinsam dargestellt und mit 200 bezeichnet sind, wobei das Bezugszeichen 200 gleichermaßen einen Drehzahlmesser und/oder einen Temperatursensor bezeichnen kann.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf 2, die eine Zustandsmaschine zeigt, ein Verfahren zum Betreiben der vorstehend erläuterten Brennkraftmaschine der 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutert, das durch das Regler 4 ausgeführt wird. Die Erläuterung anhand einer Zustandsmaschine dient der kompakteren Darstellung, ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann durch einen Zustandsautomaten, aber auch in anderer Form, ausgebildet sein. Zusammen mit dem Zustandsübergang bzw. Schritt B03, der einen Beginn eines Verfahrensablaufs bzw. einen Einstieg in die Zustandsmaschine, beispielsweise ein Starten des Programms, bezeichnet, und dem Zustandsübergang bzw. Schritt B30, der ein Ende des Verfahrensablaufs bzw. einen Ausstieg in die Zustandsmaschine, beispielsweise ein Ende des Programms, bezeichnet, stellt die Zustandsmaschine bzw. 2 gleichermaßen auch ein Flussdiagramm dar, welches den Ablauf des Verfahrens erläutert und mit dem Zustandsübergang bzw. Schritt B03, beispielsweise einem Starten des Programms, beginnt, auf den, wie nachfolgend beschrieben, je nach Fallentscheidung bzw. Zustand M1, ..., M4 einer oder mehrere der Zustandsübergange bzw. Schritte B12, ... B42 folgen.
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In dem Zustandsdiagramm der 2 bezeichnen M1, M2, M3 und M4 verschiedene Zustände bzw. Modi des Reglers 4, in denen die Stellglieder 12, 22 und 23 unterschiedlich betätigt werden, und zwischen denen das Auswahlmittel 4.1 umschalten kann. Pfeile Bij (i, j = 1, 2, 3, 4) bezeichnen Zustandsübergänge bzw. Schaltbedingungen, auf deren Basis das Auswahlmittel 4.1 zwischen den Modi umschaltet.
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M3 beschreibt einen dritten Zustand, in dem kein Ladedruck angefordert wird bzw. ein Soll-Ladedruck den von dem ersten Drucksensor SP1 erfassten Umgebungsdruck P1 nicht übersteigt.
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In diesem dritten Zustand bzw. Modus M3 wird sowohl der erste als auch der zweite Turbolader gesteuert: über die Druckregelventile 120, 220, 230 gibt der Regler 4 für die Regelventile 12, 22 und 23 jeweils eine vorgegebene Stellung bzw. Position fest vor. Dies kann – wenigstens im Wesentlichen komplett geöffnet sein. Vorteilhafterweise werden die Regelventile 12, 22 und 23 jedoch durch Anlegen eines vorgegebenen Druckwertes bereits leicht „vorgespannt”, so dass sie rascher schließen können – hierdurch schließen die Regelventile 12, 22 und 23 die Bypasspassagen parallel zu den beiden Turbinen 11, 21 und dem zweiten Verdichter 20 geringfügig.
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Erfasst der Regler 4 auf Basis einer von dem Temperatursensor 200 ermittelten Temperatur, dass ein Katalysator 24 in der Abgaspassage 2 keine ausreichende Betriebstemperatur aufweist, beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, schaltet das Auswahlmittel in einen vierten Modus M4 um (2: B34). In diesem vierten Modus M4 werden ebenfalls sowohl der erste als auch der zweite Turbolader gesteuert, jedoch in anderer Weise als in dem dritten Modus M3: über die Druckregelventile 120, 220, 230 gibt der Regler 4 für die Regelventile 12, 22 und 23 nun jeweils eine – wenigstens im Wesentlichen komplett geöffnete Stellung bzw. Position fest vor. Auf diese Weise kann der Katalysator rascher erwärmt werden. Weist der Katalysator, beispielsweise nach einem solchen Aufheizen, eine ausreichende Betriebstemperatur auf, schaltet das Auswahlmittel in den dritten Modus M3 zurück (2: B43), sofern nicht eine Bedingung zum Umschalten in einen ersten oder zweiten Modus vorliegt, wie nachfolgend erläutert: Wird ein Ladedruck angefordert bzw. übersteigt ein Soll-Ladedruck den von dem ersten Drucksensor SP1 erfassten Umgebungsdruck P1, so prüft der Regler 4 auf Basis der von dem Drehzahlmesser ermittelten Drehzahl, ob diese einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise 3000 Umdrehungen/Minute, unterschreitet oder nicht.
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Bei niedrigen Drehzahlen reicht in der Regel der erste Verdichter 10 alleine nicht aus, um einen gewünschten Ladedruck zur Verfügung zu stellen, insbesondere einen höheren Ladedruck zum starken Beschleunigen oder dergleichen. Der gewünschte Ladedruck bzw. ein Soll-Ladedruck kann insbesondere auf Basis einer Gaspedal- bzw. Drosselklappenstellung und/oder der Drehzahl ermittelt bzw. vorgegeben werden.
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Erfasst der Regler 4, dass der Soll-Ladedruck den von dem ersten Drucksensor SP1 erfassten Umgebungsdruck P1 übersteigt und die Drehzahl den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, schaltet das Auswahlmittel in einen ersten Modus M1 um, ausgehend von dem dritten Modus (2: B31) oder vierten Modus (2: B41).
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In diesem ersten Modus M1 steuert der Regler 4 den ersten Turbolader, indem es durch das Druckregelventil 120 ein – wenigstens im Wesentlichen – vollständiges Schließen des Regelventils 12 kommandiert und so die erste Bypasspassage 51, die zu der ersten Turbine 11 strömungstechnisch parallel ist, vollständig schließt. Die erste Turbine 11 wird somit auf Volllast gesteuert. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann der Regler 4 die Steuergröße, mit der das Regelventil 12 kommandiert wird, auch abhängig von dem Massenstrom m und/oder der Drehzahl vorgeben, insbesondere das Regelventil 12 soweit schließen, dass der erste Verdichter 10 mit einem maximal zulässigen Druckverhältnis betrieben wird.
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Im Gegensatz hierzu wird der zweite Turbolader durch den Regler 4 geregelt, indem dieser auf Basis der dritten Druckgröße den vom ersten Verdichter 10 aufgeprägten Ist-Druck P12 ermittelt, das Soll-Druckverhältnis (P2/P12)' für den zweiten Verdichter 20 komplementär zu diesem bzw. derart vorgibt, dass der Soll-Ladedruck P2' erreicht wird: (P2/P12)' = P2'/P12, und das Regelventil 22 über das Druckregelventil 220 regelt. Hierzu kann eine Regeldifferenz zwischen diesem Soll-Druckverhältnis (P2/P12)' und einem Ist-Druckverhältnis der zweiten und dritten Druckgröße P2/P12 einem PID-Regler des Reglers 4 zugeführt werden.
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Hierdurch wird der gewünschte Ladedruck aufgebaut. Ab einem gewissen Massenstrom bzw. einer gewissen Drehzahl reicht der erste Verdichter 10 alleine aus, um diesen Ladedruck aufzuprägen. Erfasst das Regler 4, dass das Soll-Druckverhältnis (P2/P12)' kleiner oder gleich 1 wird, d. h. der zweite Verdichter 20 nicht mehr benötigt wird, schaltet das Auswahlmittel 4.1 entsprechend in einen zweiten Modus M2 um (2: B12).
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In diesem zweiten Modus M2 steuert der Regler 4 den zweiten Turbolader, indem er durch die Druckregelventile 220, 230 ein – wenigstens im Wesentlichen – vollständiges Öffnen der Regelventile 22, 23 kommandiert und so die zweite und dritte Bypasspassage 52, 53, die zu der zweiten Turbine 21 bzw. dem zweiten Verdichter 20 strömungstechnisch parallel sind, vollständig öffnet. Der zweite Turbolader wird stillgesetzt gesteuert.
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Im Gegensatz hierzu wird nun der erste Turbolader durch den Regler 4 geregelt, indem dieser auf Basis der zweiten oder dritten Druckgröße den vom ersten Verdichter 10 aufgeprägten Ist-Druck P12 = P2 ermittelt, mit dem Soll-Ladedruck P2' vergleicht und diese Regeldifferenz demselben PID-Regler des Reglers 4 zuführt, der hierzu mit anderen Regelparametern belegt wird.
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Hierdurch wird der gewünschte Ladedruck aufgeprägt. Reicht der erste Verdichter 10 alleine nicht mehr aus, um diesen Ladedruck aufzuprägen, da dieser beispielsweise abrupt erhöht wird, erfasst das Regler 4, dass das Soll-Druckverhältnis (P2/P12)' größer 1 wird, d. h. der zweite Verdichter 20 wieder benötigt wird. Hierauf schaltet das Auswahlmittel 4.1 entsprechend in einen vorstehend erläuterten Modus M1 um (2: B21).
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Sinkt der gewünschte Ladedruck unter den Umgebungsdruck, d. h. werden beide Turbolader nicht benötigt, schaltet das Auswahlmittel 4.1 in den dritten Modus (2: B13; B23) oder vierten Modus (2: B14; B24) um, je nachdem, ob der Katalysator 24 eine ausreichende Temperatur aufweist (2: B13, B23) oder nicht (2: B14; B24).
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Auch ausgehend von dritten oder vierten Modus M3, M4 kann das Auswahlmittel 4.1 direkt in den zweiten Modus M2 umschalten (2: B32; B42), sofern der Regler 4 erfasst, dass der Soll-Ladedruck den von dem ersten Drucksensor SP1 erfassten Umgebungsdruck P1 übersteigt und die Drehzahl den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, so dass der erste Verdichter 10 bereits alleine den Soll-Ladedruck aufprägen kann.
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Wie vorstehend ausgeführt, werden also in dem ersten Modus M1 der zweite Turbolader durch den Regler 4 auf Basis der dritten Druckgröße P12 und der zweiten Druckgröße P2 geregelt und der erste Turbolader auf eine maximal zulässige Verdichterbelastung bzw. ein maximal zulässiges Druckverhältnis gesteuert, und in dem zweiten Modus M2 der erste Turbolader durch den Regler 4 auf Basis der dritten Druckgröße P12 und der ersten Druckgröße P1 geregelt und der zweite Turbolader in Stillstand gesteuert bzw. stillgesetzt, wobei derselbe PID-Regler, d. h. dieselbe Regelstruktur genutzt wird.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt. Bezugszeichenliste
| 1 | Luftzufuhrpassage |
| 2 | Abgaspassage |
| 3 | Zylinderanordnung |
| 4 | Regler |
| 4.1 | Auswahlmittel |
| 10 | erster Verdichter |
| 11 | erste Turbine |
| 12 | erstes Stellglied |
| 20 | zweiter Verdichter |
| 21 | zweite Turbine |
| 22 | zweites Stellglied |
| 23 | drittes Stellglied |
| 24 | Katalysator |
| 51 | erste Bypasspassage |
| 52 | zweite Bypasspassage |
| 53 | dritte Bypasspassage |
| 120, 220, 230 | Stellmittel |
| M1/M2/M3/M4 | erster/zweiter/dritter/vierter Modus |
| 200 | Temperatur-, Drehzahlsensor |
| Bij | Umschalt(bedingung)en von Modus i in Modus j (i, j = 0, 1, 2, 3, 4) |
| SP1/SP2/SP12 | erstes/zweites/drittes Druckermittelungsmittel |
| P1/P2/P12 | erste/zweite/dritte Druckgröße |
| Sm | Massenstromermittelungsmittel |
| m | Massenstrom |
