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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft, einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase und mit 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
- - der Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und zwecks Umgehung mit einer dritten Bypassleitung ausgestattet ist, in der ein drittes Absperrelement angeordnet ist, und
- - die Turbine des ersten Abgasturboladers stromabwärts der Turbine des zweiten Abgasturboladers angeordnet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Die
DE 10 2006 011 188 A1 offenbart eine zweistufige Abgasturboaufladung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer, wobei die Abgasturboaufladung in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine einen ersten und einen zweiten, parallel zueinander angeordneten Hochdruckturbolader und einen in Reihe danach angeordneten Niederdruckturbolader aufweist, wobei der Abgaskrümmer, eine erste Hochdruckturbine des ersten Hochdruckladers und eine Niederdruckturbine des Niederdruckturboladers abgasführend miteinander verbunden sind, wobei der Abgaskrümmer mit einer zweiten Hochdruckturbine des zweiten Hochdruckturboladers abgasführend verbindbar ist und wobei die zweite Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine abgasführend miteinander verbunden sind.
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Um ein Absinken der Motorleistung bei Niedriglastbetrieb eines Dieselmotors zu verhindern, werden gemäß der JPS55 - 109 728 A Kompressoren in mehreren Stufen angeordnet, ein motorgetriebenes Hilfsgebläse mit den Kompressoren verbunden und Ventile für den selektiven Einsatz dieser Kompressoren vorgesehen. Dabei sind ein Hochdruckkompressor und ein Niederdruckkompressor betriebsmäßig mit einem Motor verbunden. Im Ansaugtrakt sind in Reihe ein Kühler, ein Rückschlagventil, ein Hochdruckgebläse, ein weiterer Kühler, ein Wahlventil und ein Niederdruckgebläse vorgesehen. Im Auslasskanal sind dagegen in Reihe ein Wahlventil, eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine angeordnet. Außerdem ist in einem abzweigenden Ansaugkanal ein von einem Motor angetriebenes Hilfsgebläse vorgesehen. Dabei werden sowohl der Motor als auch die Umschaltventile von einem Druckschalter gesteuert, der in Abhängigkeit vom Ansaugdruck betätigt wird. Wenn die Leistung des Motors sinkt, wird das Hilfsgebläse in Betrieb gesetzt, während der Betrieb des Hochdruckkompressors gestoppt wird.
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Die
DE 10 2013 001 662 A1 betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Ansaugtrakt, in welchem ein erster Verdichter und in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt stromab des ersten Verdichters ein zweiter Verdichter zum Verdichten der Luft angeordnet sind, wobei einer der Verdichter einem Abgasturbolader zugeordnet ist, der eine in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt angeordnete und vom Abgas antreibbare Turbine umfasst, mittels welcher der eine Verdichter des Abgasturboladers antreibbar ist, und wobei dem anderen Verdichter ein Elektromotor zum Antreiben des anderen Verdichters zugeordnet ist, wobei der eine Verdichter des Abgasturboladers der erste Verdichter und der andere Verdichter der zweite Verdichter ist.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
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Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, bei dem die Einstellung der angeforderten Last bzw. Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
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Einen Ansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. So lässt sich mittels Direkteinspritzung eine geschichtete Brennraumladung realisieren. Die Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs bietet ebenfalls die Möglichkeit der Entdrosselung. Die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen, dient ebenfalls der Entdrosselung des Ottomotors. Der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
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Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, 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 einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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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 ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
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Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
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Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. 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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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. 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 den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren 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 Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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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 die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich 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.
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Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, 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, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist und sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
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Auch die aufgeladene Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine Brennkraftmaschine mit zwei in Reihe angeordneten Abgasturboladern, von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient. Die europäische Patentschrift
EP 1 640 596 B1 beschreibt eine derartige Brennkraftmaschine.
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Ausgehend von einer solchen Brennkraftmaschine sind weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik und zur Erhöhung des Wirkungsgrades erforderlich, um die zukünftigen Anforderungen an eine moderne mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine zu erfüllen.
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Insbesondere sind Aufladekonzepte von Interesse, mit denen die Pumpgrenze weiter zu noch kleineren Ladeluftmengen hin verschoben werden kann, um die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei sehr niedrigen Drehzahlen zu verbessern. Des Weiteren wird ein immer schnelleres Ansprechen der Aufladung gefordert, um das transiente Verhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern. Letzteres ist insbesondere auch im Zusammenhang mit einer Abgasrückführung von Relevanz. Zudem wird grundsätzlich immer eine hohe Maximalleistung bzw. Leistungssteigerung angestrebt.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Abgasturbolaufladung weiter verbessert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft, einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase und mit 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
- - der Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und zwecks Umgehung mit einer dritten Bypassleitung ausgestattet ist, in der ein drittes Absperrelement angeordnet ist, und
- - die Turbine des ersten Abgasturboladers stromabwärts der Turbine des zweiten Abgasturboladers angeordnet ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - - eine weitere Turbine vorgesehen ist, die parallel zu der Turbine des zweiten Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet ist und mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist und mit einem Generator antriebsverbunden ist, wobei stromaufwärts der weiteren Turbine ein Absperrelement zwecks Zuschalten angeordnet ist,
- - eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, in der ein erstes Absperrelement angeordnet ist und die stromaufwärts der weiteren Turbine und der Turbine des zweiten Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts dieser Turbinen wieder in das Abgasabführsystem mündet, und
- - ein zusätzlicher Verdichter vorgesehen ist, der zwischen dem Verdichter des ersten Abgasturboladers und dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist und mit einem Elektromotor antriebsverbunden ist, wobei eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, in der ein zweites Absperrelement angeordnet ist und die zwischen dem Verdichter des ersten Abgasturboladers und dem zusätzlichen Verdichter vom Ansaugsystem abzweigt und zwischen dem zusätzlichen Verdichter und dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet.
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Die Turbine des zweiten Abgasturboladers, die im Folgenden auch als zweite Turbine bezeichnet wird, ist vorliegend mit einer Bypassleitung ausgestattet. Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine weitere Turbine in der Hochdruckstufe vorgesehen, die parallel zu dieser zweiten Turbine, d. h. der Hochdruckturbine, angeordnet ist. Beide Turbinen der Hochdruckstufe können via Bypassleitung, nämlich der ersten Bypassleitung, umgangen werden. Dies gestattet die Auslegung der Hochdruckturbine auf sehr kleine Abgasmengen.
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Der dazugehörige Verdichter des zweiten Abgasturboladers wird dementsprechend klein dimensioniert, wodurch die Pumpgrenze hin zu sehr kleinen Ladeluftmengen verschoben wird und hohe Ladedrücke gemäß einem ersten Betriebsmodus auch bei sehr niedrigen Drehzahlen realisiert werden können. Die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich wird dadurch deutlich verbessert.
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Bei sehr kleinen Ladeluftmengen sind die weitere Turbine sowie die erste Bypassleitung durch Schließen der jeweiligen Absperrelemente vorzugsweise deaktiviert.
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Prinzipbedingt ist die sehr kleine Hochdruckstufe der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weniger träge. Das vergleichsweise schnelle Ansprechen der kleinen Hochdruckstufe bei einem Lastwechsel verbessert das transiente Verhalten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gegenüber dem Stand der Technik erheblich.
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Ein zusätzlicher Verdichter, der elektrisch antreibbar ist, kann im Bedarfsfall zur Generierung eines angeforderten Ladedrucks unterstützend eingesetzt werden. Da der zusätzliche Verdichter im ersten Betriebsmodus nur kurzzeitig eingesetzt wird, stellt sich die Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung als unproblematisch heraus.
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Nimmt die Abgasmenge zu, erfolgt eine Umstellung von der zweistufigen Aufladung mittels der beiden Abgasturbolader auf eine dreistufige Aufladung gemäß einem zweiten Betriebsmodus, bei dem der zusätzliche Verdichter dauerhaft betrieben wird. Die für den Antrieb des zusätzlichen Verdichters erforderliche elektrische Energie liefert dann - zumindest auch - die weitere in der Hochdruckstufe angeordnete Turbine, die erfindungsgemäß mit einem Generator antriebsverbunden ist. Hierzu wird die weitere Turbine durch Betätigen eines stromaufwärts angeordneten Absperrelements zugeschaltet, d. h. aktiviert.
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Die unter Verwendung der weiteren Turbine und des Generators rückgewonnene elektrische Energie wird zumindest teilweise für den Antrieb des zusätzlichen Verdichters mittels Elektromotor genutzt. Dieses Zusammenwirken der weiteren Turbine mit dem zusätzlichen Verdichter ermöglicht erst den dauerhaften Betrieb des zusätzlichen Verdichters, welcher Mengen an elektrischer Energie erfordert, die ausschließlich mittels Energiespeicher, beispielsweise mittels Bordbatterie, nicht bzw. nur schwer bereitgestellt werden könnten.
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Die weitere Turbine kann grundsätzlich zur Energierückgewinnung eingesetzt werden, sobald an der Hochdruckturbine überschüssiges Abgas vorliegt. Die variable Turbinengeometrie der weiteren Turbine gestattet die Einstellung bzw. Steuerung des stromaufwärts im Abgasabführsystem vorliegenden Drucks und damit des an der Hochdruckturbine bestehenden Turbinendruckverhältnisses bzw. des ansaugseitig generierten Ladedrucks.
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Nimmt die Abgasmenge dann weiter zu, ist der Verdichter der Hochdruckstufe, d. h. der Verdichter des zweiten Abgasturboader, der auf sehr kleine Ladeluftmengen ausgelegt ist, via Bypassleitung zu umgehen und es erfolgt eine zweistufige Aufladung gemäß einem dritten Betriebsmodus mittels erstem Abgasturbolader und zusätzlichem Verdichter. Die für den Antrieb des zusätzlichen Verdichters erforderliche elektrische Energie liefert wieder die in der Hochdruckstufe angeordnete weitere Turbine, die bei den vorliegenden größeren Abgasmengen zugeschaltet, d. h. aktiviert ist.
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Bei großen bzw. sehr großen Abgasmengen bzw. Ladeluftmengen erfolgt dann eine einstufige Verdichtung gemäß einem vierten Betriebsmodus mittels ersten Abgasturboladers, wobei sowohl der Verdichter der Hochdruckstufe, d. h. der Verdichter des zweiten Abgasturboladers, als auch der zusätzliche Verdichter via Bypassleitung umgangen wird. Die weitere Turbine ist zugeschaltet, d. h. aktiviert. Die Turbine der Hochdruckstufe, d. h. die Turbine des zweiten Abgasturboladers, kann soweit eine variable Turbinengeometrie vorgesehen ist, durch Schließen dieser Geometrie in gewissem Umfang deaktiviert werden.
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Da die Niederdruckstufe im vierten Betriebsmodus erfindungsgemäß einen - im Vergleich zu einer herkömmlichen zweistufigen Aufladung - kleinen Kennfeldbereich abdeckt bzw. abdecken muss, kann die erfindungsgemäße Niederdruckstufe leistungsorientiert ausgelegt werden, d. h. im Hinblick auf eine möglichst hohe Maximalleistung.
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Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Abgasturbolaufladung weiter verbessert ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die dritte Bypassleitung zwischen dem zusätzlichen Verdichter und dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des zweiten Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung stromaufwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers in das Abgasabführsystem mündet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des zweiten Abgasturboladers mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist.
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Die Turbine des zweiten Abgasturboladers ist erfindungsgemäß ohnehin auf sehr kleine Abgasmengen ausgelegt, wodurch die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei sehr niedrigen Drehzahlen deutlich verbessert wird. Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung zusätzlich. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere an den momentanen Abgasmassenstrom im unteren Drehzahlbereich.
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Dabei sind stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
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Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit denn eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem zusätzlichen Verdichter und dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers ein Zwischenkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Zwischenkühler verdichtet insbesondere im zweiten Betriebsmodus, gemäß dem eine dreistufige Aufladung durchgeführt wird, die im dauerhaft betriebenen zusätzlichen Verdichter vorverdichtete Ladeluft mittels Kühlung. Dies unterstützt bzw. ermöglicht erst den Einsatz des Hochdruckverdichters im Rahmen der dreistufigen Verdichtung bei mittelgroßen bzw. größeren Ladeluftmengen. Zu berücksichtigen ist dabei, dass der Hochdruckverdichter von Hause aus auf sehr kleinen Ladeluftmengen ausgelegt ist.
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Die zur Umgehung des Hochdruckverdichters vorgesehene dritte Bypassleitung zweigt vorzugsweise stromabwärts des Zwischenkühlers aus dem Ansaugsystem ab.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die dritte Bypassleitung stromaufwärts des Zwischenkühlers aus dem Ansaugsystem abzweigt. Dann dient die dritte Bypassleitung auch zur Umgehung des Zwischenkühlers.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters des zweiten Abgasturboladers ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder mit Ladeluft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt. Vorteilhaft ist es, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, der eine Umgehung des Kühlers, insbesondere in der Warmlaufphase, zulässt. Letzteres gilt in analoger Weise auch für den Zwischenkühler.
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Die zur Umgehung des Hochdruckverdichters vorgesehene dritte Bypassleitung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die dritte Bypassleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Dann dient die dritte Bypassleitung auch zur Umgehung des Ladeluftkühlers.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist. Falls der Betrieb der Brennkraftmaschine es momentan nicht zulässt, unter Verwendung der weiteren Turbine und des Generators elektrische Energie aus dem Abgas zu gewinnen, muss der Antrieb des zusätzlichen Verdichters mittels Elektromotor unter Verwendung eines Energiespeichers zumindest kurzzeitig sichergestellt werden können. Zudem muss die Möglichkeit geschaffen werden, an der weiteren Turbine rückgewonne Energie speichern bzw. zwischenspeichern zu können, falls kein momentaner Bedarf für elektrische Energie besteht.
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Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Turbine des ersten Abgasturboladers mit einer Bypassleitung ausgestattet ist, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromabwärts der Turbine in das Abgasabführsystem mündet. Dann kann eine gemeinsame Abgasnachbehandlung des gesamten Abgases stattfinden, nämlich mit einem im Abgasabführsystem angeordneten Abgasnachbehandlungssystem. Dies können beispielsweise ein Partikelfilter, ein Oxidationskatalysator und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide sein.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem in einem ersten Betriebsmodus, bei dem ausgehend von einem geschlossenen Absperrelement, einem geschlossenen ersten Absperrelement, einem geschlossenen dritten Absperrelement und einem geöffneten zweiten Absperrelement, das zur weiteren Turbine gehörende Absperrelement geöffnet wird, falls die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge überschreitet, um
- - einen stromaufwärts der weiteren Turbine im Abgasabführsystem vorliegenden Abgasdruck durch Verstellen der variablen Turbinengeometrie der weiteren Turbine einzustellen, wobei eine an der weiteren Turbine aus dem Abgas generierte Leistung vom Generator aufgenommen und in rückgewonnene elektrische Energie umgewandelt 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 erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die unterschiedlichen Brennkraftmaschinen erfordern teils verschiedene Verfahrensvarianten.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen im ersten Betriebsmodus das zweite Absperrelement geschlossen wird und der zusätzliche Verdichter mittels Elektromotor angetrieben wird, falls ein Lastwechsel einen erhöhten Ladedruck erfordert. Auf diese Weise lässt sich das Ansprechverhalten der Aufladung bzw. der aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine ausgehend vom ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus, bei dem das Absperrelement geöffnet ist sowie das erste Absperrelement, das zweite Absperrelement und das dritte Absperrelement geschlossen ist, überführt wird, falls die Abgasmenge eine zweite vorgebbare Abgasmenge überschreitet, wobei zumindest ein Teil der vom Generator rückgewonnenen elektrischen Energie für einen Antrieb des zusätzlichen Verdichters mittels Elektromotor nutzbar wird.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine ausgehend vom zweiten Betriebsmodus in einen dritten Betriebsmodus, bei dem das Absperrelement und das dritte Absperrelement geöffnet sowie das erste Absperrelement und das zweite Absperrelement geschlossen ist, überführt wird, falls die Abgasmenge eine dritte vorgebbare Abgasmenge überschreitet.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Brennkraftmaschine ausgehend vom dritten Betriebsmodus in einen vierten Betriebsmodus, bei dem das Absperrelement, das erste Absperrelement, das zweite Absperrelement sowie das dritte Absperrelement geöffnet ist, überführt wird, falls die Abgasmenge eine vierte vorgebbare Abgasmenge überschreitet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
- 2 schematisch das zu der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine gehörende Motorkennfeld.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die über ein Ansaugsystem 2 zur Versorgung der Zylinder mit Ladeluft und über ein Abgasabführsystem 3 zur Abführung der Abgase verfügt. Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1a, bei dem die vier Zylinder in Reihe angeordnet sind, d. h. entlang der Längsachse des Zylinderkopfes.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern 6, 7 ausgestattet, die jeweils eine im Abgasabführsystem 3 angeordnete Turbine 6a, 7a und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 6b, 7b umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader 6 als Niederdruckstufe 6 und ein zweiter Abgasturbolader 7 als Hochdruckstufe 7 dient. Das heiße Abgas entspannt sich jeweils in der Turbine 6a, 7a des Abgasturboladers 6, 7 unter Energieabgabe und treibt den zugehörigen Verdichter 6b, 7b an, der die Ladeluft komprimiert und via Ansaugsystem 2 und Plenum den Zylindern zuführt, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird.
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Der Verdichter 7b des zweiten Abgasturboladers 7 ist stromabwärts des Verdichters 6b des ersten Abgasturboladers 6 angeordnet und zwecks Umgehung mit einer dritten Bypassleitung 12 ausgestattet, in der ein drittes Absperrelement 12a angeordnet ist. Das dritte Absperrelement 12a kann ein zweistufig schaltbares Absperrelement 12a sein, welches die dritte Bypassleitung 12 freigibt oder versperrt.
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Die Turbine 6a des ersten Abgasturboladers 6 ist stromabwärts der Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 angeordnet, wobei in der Hochdruckstufe eine weitere Turbine 8 vorgesehen ist, die parallel zu der Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 im Abgasabführsystem 3 angeordnet ist. Diese weitere Turbine 8 ist mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet und mit einem Generator 8a antriebsverbunden. Ein stromaufwärts der weiteren Turbine 8 im Abgasabführsystem 3 angeordnetes Absperrelement 8b dient dem Zuschalten, d. h. dem Aktivieren dieser weiteren Turbine 8. Das Absperrelement 8b ist vorliegend ein zweistufig schaltbares Absperrelement 8b, welches die Leitung zur weiteren Turbine 8 freigibt oder versperrt. Die Hochdruckturbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 kann ebenfalls mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet sein (mit gepunktetem Pfeil angedeutet).
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Des Weiteren ist eine erste Bypassleitung 10 vorgesehen, die stromaufwärts der weiteren Turbine 8 und der Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 vom Abgasabführsystem 3 abzweigt und stromabwärts dieser Turbinen 7a, 8 wieder in das Abgasabführsystem 3 mündet und die eine Umgehung der beiden Turbinen 7a, 8 der Hochdruckstufe ermöglicht.
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In dieser ersten Bypassleitung 10 ist ein erstes Absperrelement 10a angeordnet, welches vorliegend ein zweistufig schaltbares Absperrelement 10a ist, welches die erste Bypassleitung 10 freigibt oder versperrt.
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Zwischen dem Verdichter 6b des ersten Abgasturboladers 6 und dem Verdichter 7b des zweiten Abgasturboladers 7 ist ein zusätzlicher Verdichter 9 im Ansaugsystem 2 angeordnet, der mit einem Elektromotor 9a antriebsverbunden ist und via zweiter Bypassleitung 11, in der ein zweites Absperrelement 11 a angeordnet ist, umgangen werden kann. Die zweite Bypassleitung 11 zweigt zwischen dem Verdichter 6b des ersten Abgasturboladers 6 und dem zusätzlichen Verdichter 9 vom Ansaugsystem 2 ab und mündet zwischen dem zusätzlichen Verdichter 9 und dem Verdichter 7b des zweiten Abgasturboladers 7 wieder in das Ansaugsystem 2 ein.
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Stromabwärts der Verdichter 6b, 7b ist ein Ladeluftkühler 4 im Ansaugsystem 2 angeordnet. Der Ladeluftkühler 4 senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler 4 zu einer besseren Füllung der Zylinder mit Ladeluft beiträgt.
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Zwischen dem zusätzlichen Verdichter 9 und dem Verdichter 7b des zweiten Abgasturboladers 7 ist ein Zwischenkühler 5 im Ansaugsystem 2 angeordnet. Der Zwischenkühler 5 kühlt im Rahmen einer dreistufigen Aufladung gemäß einem zweiten Betriebsmodus die im zusätzlichen Verdichter 9 vorverdichtete Ladeluft. Dies unterstützt die sich anschließende Verdichtung im Hochdruckverdichter 7b bei mittelgroßen bzw. größeren Ladeluftmengen.
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Die zur Umgehung des Hochdruckverdichters 7b vorgesehene dritte Bypassleitung 12 zweigt stromabwärts des Zwischenkühlers 5 aus dem Ansaugsystem 2 ab. Die zweite Bypassleitung 11 zur Umgehung des zusätzlichen Verdichters 9 mündet stromaufwärts des Zwischenkühlers 5 wieder in das Ansaugsystem 2.
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Die weitere Turbine 8 wird zur Energierückgewinnung eingesetzt, sobald an der Hochdruckturbine 7a überschüssiges Abgas vorhanden ist. Die variable Turbinengeometrie der weiteren Turbine 8 gestattet die Einstellung des stromaufwärts im Abgasabführsystem 3 vorliegenden Abgasgegendrucks.
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Der zusätzliche Verdichter 9 ist elektrisch antreibbar und wird im Bedarfsfall zugeschaltet, um einen angeforderten Ladedruck bereitzustellen. Die unter Verwendung der weiteren Turbine 8 und des Generators 8a rückgewonnene elektrische Energie kann für den Antrieb des zusätzlichen Verdichters 9 mittels Elektromotor 9a genutzt werden.
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Insgesamt können vier verschiedene Betriebsmodi bzw. Aufladekonzepte verwirklicht werden.
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2 zeigt schematisch das zu der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 gehörende Motorkennfeld.
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Das Motorkennfeld zeigt die Last über der Drehzahl und die Kennfeldbereiche der vier verschiedenen Betriebsmodi A, B, C und D, wobei A den ersten, B den zweiten, C den dritten und D den vierten Betriebsmodus kennzeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aufgeladene Brennkraftmaschine
- 1a
- Vier-Zylinder-Reihenmotor
- 2
- Ansaugsystem
- 3
- Abgasabführsystem
- 4
- Ladeluftkühler
- 5
- Zwischenkühler
- 6
- erster Abgasturbolader, Niederdruckstufe
- 6a
- erste Turbine
- 6b
- erster Verdichter
- 7
- zweiter Abgasturbolader, Hochdruckstufe
- 7a
- zweite Turbine
- 7b
- zweiter Verdichter
- 8
- weitere Turbine
- 8a
- Generator
- 8b
- Absperrelement
- 9
- zusätzlicher Verdichter
- 9a
- Elektromotor
- 10
- erste Bypassleitung
- 10a
- erstes Absperrelement
- 11
- zweite Bypassleitung
- 11a
- zweites Absperrelement
- 12
- dritte Bypassleitung
- 12a
- drittes Absperrelement
- A
- erster Betriebsmodus der Brennkraftmaschine
- B
- zweiter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine
- C
- dritter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine
- D
- vierter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine
