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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und
- - mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters angeordnet ist, bei der
- - eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und
- - ein Hilfsantrieb zur Unterstützung eines Abgasturboladers vorgesehen ist.
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Eine derartige Brennkraftmaschine beschreibt die
US 2013/0209291 A1 , wobei der elektrische Hilfsantrieb den Verdichter des als Hochdruckstufe dienenden zweiten Abgasturboladers unterstützt, d. h. antreiben kann.
WO 2011/099326 A1 beschreibt eine mehrstufige aufgeladene Maschine.
DE 10 2010 027 521 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Turboladers für einen Motor und ein Steuersystem für diesen.
WO 2013/004354 A2 beschreibt einen Antriebsstrang.
DE 10 2005 003 714 A1 beschreibt eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbocompound-System.
EP 2 341 225 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Turbocompound-Maschine.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Die Aufladung dient - wie bereits erwähnt - der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit geeigneten Getriebeauslegungen kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.
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Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht, da der Fahrer im Vergleich mit einem nicht aufgeladenen Motor gleicher Maximalleistung auch im unteren Drehzahlbereich ein entsprechend großes Drehmoment erwartet, und zählt zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
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Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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In der Praxis führen die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass ein kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt wird, wodurch das Turbinendruckverhältnis erhöht werden kann. Dies verschlechtert aber die Aufladung bei hohen Drehzahlen und verschiebt den Drehmomentabfall lediglich hin zu niedrigen Drehzahlen. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, wobei die Abgasabblasung mittels Ladedruck oder mittels Abgasdruck gesteuert werden kann. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber - wie bereits oben angesprochen - den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen. Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens zwei in Reihe angeordnete, d. h. in Reihe geschaltete Abgasturbolader.
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Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
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Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Die kleinere Hochdruckstufe ist weniger träge, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt. Das kleinere und leichtere Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers hat aber im Rahmen der mehrstufigen bzw. zweistufigen Aufladung auch nachteilige Effekte.
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Dadurch, dass der Niederdruckverdichter größer ausgelegt ist als der stromabwärts angeordnete Hochdruckverdichter und somit der Niederdruckverdichter das größere und schwerere Laufzeug aufweist als der Hochdruckverdichter, kann der Niederdruckverdichter dem Hochdruckverdichter bei einem Lastwechsel, d. h. bei einer erhöhten Leistungsanforderung seitens des Fahrers, nicht verzögerungsfrei folgen. Dabei führt das verzögerte Ansprechverhalten des Niederdruckverdichters zu einer Druckabnahme, d. h. zu einem ungewollten Druckabfall zwischen dem Niederdruckverdichter und dem stromabwärts angeordneten Hochdruckverdichter.
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Infolge des niedrigen Drucks bzw. Unterdrucks zwischen den Verdichtern, wird Öl aus den Wellenlagern der Lader in das Ansaugsystem gesaugt, das zusammen mit der Ladeluft in die Zylinder gelangt, an der Verbrennung teilnimmt und zu einer unvorteilhaften Erhöhung der Schadstoffemissionen führt, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und der Partikel.
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Ausgehend von einem unveränderten Ladedruckverhältnis am Hochdruckverdichter resultiert aus der Druckverminderung zwischen den Verdichtern, durch welche der Eingangsdruck am Hochdruckverdichter abgesenkt wird, ein ebenfalls niedrigerer Druck am Ausgang des Hochdruckverdichters, welcher gleichzeitig den Ladedruck am Einlass in die Zylinder der Brennkraftmaschine darstellt. Den Zylindern wird bei einer erhöhten Leistungsanforderung daher weniger Ladeluft zugeführt bzw. bereitgestellt als angefordert und erforderlich, um der Leistungsanforderung zu genügen.
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Erfindungsgemäß ist eine Abgasrückführung vorgesehen. Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate XAGR bestimmt sich dabei mit xAGR = mAGR / (mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte - gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte - Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet.
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Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
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Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Aufladeverhalten insbesondere unter transienten Betriebsbedingungen spürbar verbessert ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und
- - mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters angeordnet ist, bei der
- - eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und
- - ein Hilfsantrieb zur Unterstützung eines Abgasturboladers vorgesehen ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - - der Hilfsantrieb mit dem ersten Verdichter des ersten als Niederdruckstufe dienenden Abgasturboladers zumindest antriebsverbindbar ist.
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Sinkt der Druck zwischen den Verdichtern in unvorteilhafter Weise, weil beispielsweise der trägere Niederdruckverdichter dem kleiner dimensionierten Hochdruckverdichter bei einer erhöhten Lastanforderung nicht schnell genug folgen kann, besteht bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Möglichkeit, den ersten Verdichter, d. h. das Laufzeug dieses ersten Verdichters, unter Verwendung eines Hilfsantriebs zu beschleunigen und dadurch den Druck zwischen den Verdichtern zu erhöhen bzw. einem weiteren Druckabfall zwischen den Verdichtern entgegenzuwirken.
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Eine unvorteilhafte Abnahme des Ladedrucks am Einlass der Zylinder kann vermieden werden. Den Zylindern wird auch bei einer erhöhten Leistungsanforderung die Ladeluftmenge zugeführt, die erforderlich ist, um der Leistungsanforderung zu genügen.
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Die Gefahr, dass infolge des niedrigen Drucks bzw. Unterdrucks zwischen den Verdichtern Öl in die Ladeluft gelangt bzw. gefördert wird und an der Verbrennung teilnimmt, kann eliminiert werden.
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Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Aufladeverhalten insbesondere unter transienten Betriebsbedingungen spürbar verbessert ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit zwei in Reihe geschalteten, im Abgasabführsystem angeordneten Turbinen und zwei in Reihe geschalteten, im Ansaugsystem angeordneten Verdichtern ausgestattet. Vorteilhaft ist es daher, den ersten Verdichter größer auszulegen als den zweiten Verdichter, da bei dieser Anordnung der zweite Verdichter die bereits in der Niederdruckstufe vorverdichtete Luft komprimiert, d. h. die Hochdruckstufe bildet.
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Aus demselben Grund sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Denn die zweite Turbine dient als Hochdruckturbine, während sich in der ersten Turbine ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, in der ein Absperrelement angeordnet ist und die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts dieser zweiten Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet.
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Vorliegend verfügt die Turbine der Hochdruckstufe über eine variable Turbinengeometrie und/oder über eine Bypassleitung, mittels der bei Umgehung der Turbine Abgas an der Hochdruckturbine vorbei geleitet werden kann.
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Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie muss die Turbine nicht auf bestimmte Abgasmengen ausgelegt werden, weshalb die Turbine in einem weiten Drehzahl- bzw. Lastbereich für eine befriedigende Aufladung sorgt, nämlich den gewünschten Ladedruck auf der Einlassseite.
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Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine überbrückenden Bypassleitung die Auslegung der Hochdruckturbine auf sehr kleine Abgasmassenströme und damit auf den unteren Teillastbereich. Folglich können auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. auch bei sehr geringen Abgasmassenströmen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden.
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Bei entsprechender Auslegung des Hochdruckverdichters wird die Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen verschoben, wodurch auch bei kleinen Abgasströmen bzw. Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, wodurch die Aufladung im unteren Teillastbereich optimiert wird. In diesem Lastbereich wird der überwiegende Anteil des Abgasstromes durch die zweite Turbine geleitet. Es kann aber auch der gesamte Abgasstrom vollständig durch die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers geleitet werden. Zur Generierung hoher Ladedrücke im unteren und mittleren Teillastbereich wird der Abgasstrom im Wesentlichen durch die kleine Turbine der Hochdruckstufe geleitet.
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Mit zunehmender Last bzw. zunehmender Abgasmenge wird ein zunehmender Anteil des Abgasstromes über die erste Bypassleitung an der Hochdruckturbine vorbei geleitet. Stromabwärts der Hochruckturbine durchströmt das Abgas dann die erste Turbine, d. h. die Turbine der Niederdruckstufe. Diese erste Turbine kann auf große Abgasmassenströme ausgelegt werden, so dass der erste Abgasturbolader bei großen Abgasmassenströmen, wie diese bei hohen Lasten, insbesondere bei Volllast, auftreten, für einen ausreichend hohen Ladedruck sorgt.
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Folglich kann in sämtlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine ein hoher Ladedruck realisiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Aufladekonzepten muss kein Kompromiss bei der Auslegung des Abgasturboladers eingegangen werden, um in sämtlichen Drehzahlbereichen eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung zu realisieren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zum Zwecke der Abgasabblasung eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromabwärts dieser ersten Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet, wobei vorteilhafterweise zur Steuerung der Abgasabblasung ein Absperrelement in der zweiten Bypassleitung vorgesehen ist.
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Insbesondere wenn die Niederdruckturbine eine feste, nicht veränderbare Geometrie aufweist, kann mit zunehmendem Abgasstrom ein größerer Anteil des Abgases über die zweite Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt werden. Zur Steuerung der Abgasabblasung ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen. Eine derartige Waste-Gate-Turbine ist kostengünstiger als eine Turbine mit variabler Geometrie. Zudem ist die Steuerung einfacher und daher ebenfalls kostengünstiger als bei einer variablen Turbinengeometrie.
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Gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform wird die Turbine der Niederdruckstufe nicht auf die maximal anfallenden Abgasmengen ausgelegt, so dass bei diesen Abgasmengen auch bei der größer dimensionierten Niederdruckturbine eine Abgasabblasung zu erfolgen hat.
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Vorteilhaft können dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die erste Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist. Das weiter oben für die Hochdruckturbine Gesagte hat analog Gültigkeit für die Niederdruckturbine, weshalb auf diese Ausführungen Bezug genommen wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter mit einer dritten Bypassleitung ausgestattet ist, die stromabwärts des ersten Verdichters aus dem Ansaugsystem abzweigt.
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Die dritte Bypassleitung kann der Ladeluftabblasung dienen und kann stromaufwärts des ersten Verdichters wieder in das Ansaugsystem münden, wodurch die im ersten Verdichter komprimierte Ladeluft nicht abgeblasen, sondern lediglich zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Ladeluft ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen.
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Die dritte Bypassleitung kann aber auch zum Ansaugen von Ladeluft dienen und zwar in den Fällen, in denen kaum Abgas die erste große Turbine durchströmt, sondern die zweite kleinere Turbine und daher der zweite kleinere Verdichter zumindest die überwiegende Verdichterarbeit leistet. Dann stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Ladeluft dar. Die dritte Bypassleitung gestattet die Umgehung des ersten Verdichters und damit eine Entdrosselung.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter eine feste, nicht veränderbare Verdichtergeometrie aufweist.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der erste Verdichter eine variable Verdichtergeometrie aufweist. Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie des ersten Verdichters insbesondere in den Betriebszuständen, in denen kaum Abgas durch die erste, größere Turbine strömt und daher kaum Leistung von der ersten Turbine zur Verdichtung der Ladeluft bereitgestellt wird. In diesen Fällen stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Frischluft dar. Eine variable Verdichtergeometrie gestattet dann die Entdrosselung der Ansaugleitung durch Vergrößerung des Strömungsquerschnittes des ersten Verdichters.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine vierte Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des zweiten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts dieses zweiten Verdichters wieder in das Ansaugsystem mündet, wobei in dieser vierten Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist.
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Die vierte Bypassleitung gestattet die Umgehung des Hochdruckverdichters. Dies ermöglicht die Abstimmung des durch den Hochdruckverdichter geführten Ladeluftmassenstromes auf den durch die Hochdruckturbine geführten Abgasmassenstrom und damit an die zur Verfügung stehende Turbinenleistung.
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In den Fällen, in denen das Abgas überwiegend bzw. vollständig die erste große Turbine durchströmt und daher die zweite, kleinere Turbine nahezu keine bzw. keine Leistung abgibt und der erste, große Verdichter nahezu alleine bzw. vollständig den notwendigen Ladedruck generiert, stellt der zweite Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom ersten Verdichter angesaugte und komprimierte Ladeluft auf dem Weg zu den Zylindern dar. Eine vierte Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des zweiten Verdichters.
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Das Absperrelement gestattet die Aufteilung des Ladeluftstroms in Teilströme, nämlich in einen Teilstrom, der durch die vierte Bypassleitung geführt wird, und einen Teilstrom, der durch den Hochdruckverdichter geleitet wird.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der zweite Verdichter eine variable Verdichtergeometrie (VVG) aufweist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Turbine des zweiten Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie verfügt, da die Verdichtergeometrie kontinuierlich an die Turbinengeometrie angepasst werden kann.
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Insbesondere, wenn nur ein geringer Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da durch Verstellen der Schaufeln die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird.
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Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie des zweiten Verdichters aber insbesondere in den Betriebszuständen, in denen das Abgas überwiegend bzw. vollständig die erste große Turbine durchströmt und die zweite, kleinere Turbine nahezu keine bzw. keine Leistung abgibt und der erste, große Verdichter nahezu alleine bzw. vollständig den notwendigen Ladedruck generiert. In diesen Fällen stellt der zweite Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom ersten Verdichter angesaugte und komprimierte Frischluft auf dem Weg zu den Zylindern dar. Eine variable Verdichtergeometrie gestattet dann die Entdrosselung der Ansaugleitung durch Vergrößerung des Strömungsquerschnittes des zweiten Verdichters. Eine variable Verdichtergeometrie kann im Einzelfall die vierte Bypassleitung entbehrlich machen, da der Verdichter dem Ladeluftstrom angepasst werden kann. Hierzu muss die Geometrie des Verdichters bzw. der Strömungsquerschnitt des Verdichters in einem weiten Bereich verstellbar sein, so dass der Verdichter sowohl sehr kleinen als auch sehr großen Ladeluftströmen angepasst werden kann.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der zweite Verdichter eine feste, nicht veränderbare Verdichtergeometrie aufweist. Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Verdichter mit variabler Geometrie entfällt eine Steuerung. Es ergeben sich Kostenvorteile.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der beiden Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromabwärts der Verdichter.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate bzw. des Massenanteils an Verbrennungsprodukten.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts der beiden Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromaufwärts der Verdichter.
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Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbinen Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts der Verdichter in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbinen bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.
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Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts der Verdichter mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die den Verdichtern zugeführt und verdichtet wird.
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Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbinen einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
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Erfindungsgemäß sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Hilfsantrieb ein mechanisch angetriebener Hilfsantrieb ist.
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Nicht zur Erfindung gehören Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Hilfsantrieb ein elektrisch angetriebener Hilfsantrieb ist. Im Gegensatz zu einem mechanisch angetriebenen Hilfsantrieb ist keine mechanische Verbindung zur Brennkraftmaschine erforderlich.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Hilfsantrieb mit der Welle des ersten als Niederdruckstufe dienenden Abgasturboladers zumindest antriebsverbindbar ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement in der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Bypassleitung ein Ventil oder eine Drosselklappe ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen als Hilfsantrieb der zweite Abgasturbolader dient. So können die beiden Wellen der Abgasturbolader miteinander antriebsverbunden werden, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hilfsantrieb für den Antrieb des ersten Verdichters zumindest unterstützend verwendet wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Hilfsantrieb bei erhöhter Lastanforderung verwendet wird. Diese Verfahrensvariante stellt darauf ab, ob die Last erhöht wird, d. h. eine erhöhte Lastanforderung seitens des Fahrers vorliegt, ohne dass das Ansaugsystem bzw. die im Ansaugsystem momentan vorliegenden Zustandsgrößen, insbesondere der zwischen den Verdichtern vorliegende Ladedruck, Berücksichtigung findet bzw. Berücksichtigung finden muss.
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Erfindungsgemäß sind Verfahrensvarianten, bei denen der Hilfsantrieb verwendet wird, wenn ein zwischen den Verdichtern ermittelter Ladeluftdruck einen vorgebbaren Ladedruck unterschreitet. Vorliegend wird direkt auf die der Erfindung zugrunde liegende Problematik bzw. auf die für diese Problematik ursächlich verantwortliche Zustandsgröße abgestellt, nämlich den Ladedruck zwischen den Verdichtern. Dieser Ladedruck wird mittels Sensor messtechnisch erfasst oder rechnerisch abgeschätzt, beispielsweise auch unter Verwendung der Drehzahlen der beiden Abgasturbolader.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der Hilfsantrieb verwendet wird, um ein Laufzeug des ersten Verdichters zu beschleunigen. Das Laufzeug umfasst die mit der Welle des Laders umlaufenden Teile, insbesondere das mindestens eine Laufrad des Niederdruckverdichters.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines Drei-Zylinder-Reihenmotors.
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Zum Abführen der heißen Abgase via Abgasabführsystem 4 verfügen die drei in Reihe angeordneten Zylinder 3 jeweils über eine Abgasleitung, welche zu einer gemeinsamen Abgasleitung 4a zusammenführen. Des Weiteren verfügen die Zylinder 3 jeweils über eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem 2.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern 6, 7 ausgestattet, die jeweils eine im Abgasabführsystem 4 angeordnete Turbine 6a, 7a und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 6b, 7b umfassen, wobei ein erster Abgasturbolader 6 als Niederdruckstufe 6 und ein zweiter Abgasturbolader 7 als Hochdruckstufe 7 dient. Die zweite Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 ist stromaufwärts der ersten Turbine 6a des ersten Abgasturboladers 6 in der gemeinsamen Abgasleitung 4a angeordnet und der zweite Verdichter 7b des zweiten Abgasturboladers 7 stromabwärts des ersten Verdichters 6b in der gemeinsamen Ansaugleitung 2a.
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Der erste Verdichter 6b ist größer ausgelegt als der zweite Verdichter 7b, da der erste Verdichter 6b im Rahmen der zweistufigen Verdichtung die Niederdruckstufe 6 bildet, wohingegen der zweite Verdichter 7b die bereits vorverdichtete Ladeluft komprimiert und somit die Hochdruckstufe 7 darstellt. Aus demselben Grund ist die erste Turbine 6a größer ausgelegt ist als die zweite Turbine 7a, da sich in der ersten Turbine 6a ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe 7 einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.
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Stromabwärts der Verdichter 6b, 7b ist ein Ladeluftkühler 5 in der gemeinsamen Ansaugleitung 2a angeordnet. Der Ladeluftkühler 5 senkt die Ladelufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, weshalb der Kühler 5 zu einer besseren Füllung der Zylinder 3 mit Ladeluft beiträgt.
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Die Brennkraftmaschine 1 kann des Weiteren mit einer Abgasrückführung ausgestattet werden, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts bzw. stromabwärts der beiden Turbinen 6a, 7a aus der gemeinsamen Abgasleitung 4a abzweigt und stromabwärts bzw. stromaufwärts der beiden Verdichter 6b, 7b in die Ansaugleitung 2a mündet (nicht dargestellt).
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Die zweite Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 weist eine variable Turbinengeometrie auf (kenntlich gemacht durch den Pfeil). Zusätzlich ist eine erste Bypassleitung 9 vorgesehen, die stromaufwärts der zweiten Turbine 7a von der Abgasleitung 4a abzweigt und stromabwärts dieser zweiten Turbine 7a wieder in die Abgasleitung 4a mündet, wobei in der Bypassleitung 9 ein Absperrelement 10 angeordnet ist.
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Die Kombination aus variabler Turbinengeometrie und Bypassleitung 9 gestattet die Auslegung der Hochdruckturbine 7a auf den unteren Teillastbereich bzw. auf sehr kleine Abgasmassenströme, wodurch die Aufladung in diesem Lastbereich verbessert wird. Dadurch wird auch im unteren Teillastbereich ein hoher Ladedruck generiert und gleichzeitig ein genügend hoher Abgasgegendruck bereitgestellt, der zur Abgasrückführung mittels Hochdruck-AGR erforderlich ist bzw. verwendet werden kann.
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Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform verfügt die erste Turbine 6a über eine feste, nicht veränderbare Turbinengeometrie. Zum Zwecke der Abgasabblasung ist eine zweite Bypassleitung 11 vorgesehen, die stromaufwärts der ersten Turbine 6a von der Abgasleitung 4a abzweigt und stromabwärts dieser ersten Turbine 6a wieder in die Abgasleitung 4a einmündet, wobei zur Steuerung der Abgasabblasung ein Absperrelement 12 in der zweiten Bypassleitung 11 vorgesehen ist. Damit ist die Turbine 6a der Niederdruckstufe 6 als sogenannte Waste-Gate-Turbine ausgeführt.
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Die Verdichter 6b, 7b können eine feste Geometrie aufweisen oder ebenfalls mit einer variablen Geometrie ausgeführt sein. Eine variable Geometrie ist vorteilhaft, wenn die dazugehörige Turbine 6a, 7a über eine variable Turbinengeometrie verfügt und die Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt wird.
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Der erste Verdichter 6b kann mit einer dritten Bypassleitung 13 ausgestattet werden (gestrichelt angedeutet), die stromabwärts des ersten Verdichters 6b aus der Ansaugleitung 2a abzweigt. Diese Bypassleitung 13 dient der Ladeluftabblasung und kann stromaufwärts des ersten Verdichters 6b wieder in die Ansaugleitung 2a münden, wodurch die im ersten Verdichter 6b komprimierte Ladeluft nicht abgeblasen, sondern lediglich zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Frischluftmenge ist ein Absperrelement 14 in der dritten Bypassleitung 13 vorgesehen. Die dritte Bypassleitung 13 kann auch der Umgehung des ersten Verdichters 6b dienen, via der der Hochdruckverdichter 7b Ladeluft ansaugt.
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Zur Unterstützung des ersten Abgasturboladers 6 ist ein Hilfsantrieb 8 vorgesehen, der mit dem ersten Verdichter 6b des ersten als Niederdruckstufe 6 dienenden Abgasturboladers 6 zumindest antriebsverbindbar ist.
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Der Hilfsantrieb 8 wird bei einer erhöhten Lastanforderung eingesetzt, d. h. aktiviert, um den Druck zwischen den Verdichtern 6b, 7b zu erhöhen bzw. einem Ladedruckabfall entgegen zu wirken.
