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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen einer Ladeluftströmung,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- – mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- – einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- – einer am Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordneten Ventileinheit, die ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe umfasst, wobei die Klappe um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite das Ansaugsystem versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem freigibt.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs 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, 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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In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie weiter ständig zunimmt.
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Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, 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 – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.
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Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum beeinflusst.
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Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle 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 bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über einen Verdichter, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter den Begriff Verdichter sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines Abgasturboladers subsumiert werden können.
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Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls nützlich sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere Maßnahmen erforderlich.
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So dient die Abgasrückführung der Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Eventuell via Abgasrückführung rückgeführter Sauerstoff bzw. rückgeführte Luft ist zu berücksichtigen.
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Auch die erfindungsgemäße mittels Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, wobei die vom Abgasabführsystem abzweigende Rückführleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, so wie dies regelmäßig bei einer Niederdruck-AGR der Fall ist, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt des Weiteren über eine Ventileinheit, die im Ansaugsystem am Knotenpunkt angeordnet ist. Die Ventileinheit umfasst ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe. Die Klappe kann der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Frischluftmenge und gleichzeitig der Dosierung der via Abgasrückführung rückgeführten Abgasmenge dienen und ist um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar, dass in einer ersten Endposition die Vorderseite der Klappe das Ansaugsystem versperrt und gleichzeitig die Rückführleitung freigegeben wird und in einer zweiten Endposition die Rückseite der Klappe die Rückführleitung verdeckt und gleichzeitig das Ansaugsystem freigegeben wird. Im vorstehenden Sinne bedeuten sowohl Versperren als auch Verdecken nicht zwingend auch Verschließen bzw. vollständiges Versperren und Verdecken.
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Die quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse, um welche die Klappe verschwenkbar ist, muss keine gegenständliche Achse sein. Vielmehr kann diese Achse eine virtuelle Achse sein, deren Lage in Bezug auf das übrige Ansaugsystem zudem ein kleines Spiel aufweisen kann, wobei die Lagerung bzw. Befestigung auf andere Weise erfolgt.
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Probleme können sich bei zugeschalteter Abgasrückführung ergeben, wenn Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden. Dabei sind mehrere Szenarien von Relevanz.
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Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
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Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
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Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Ventilgehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt. In diesem Zusammenhang kommt dem Ventilgehäuse als Teil des Ansaugsystems eine besondere Bedeutung zu, denn das Ventilgehäuse wird auch bei abgeschalteter Abgasrückführung regelmäßig mit Abgas beaufschlagt. Das im Ventilgehäuse befindliche bzw. stehende Abgas kühlt infolge Wärmeleitung ab, weshalb sich auf der mit Abgas beaufschlagten Innenseite des Ventilgehäuses Kondensat bilden kann, welches sich im Ventilgehäuse sammelt und beim Zuschalten, d. h. Aktivieren der Abgasrückführung schlagartig in das Ansaugsystem eingeleitet wird.
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Die Problematik der Kondensatbildung verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
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Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Beschädigung des Verdichters infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen einer Ladeluftströmung,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- – mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- – einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- – einer am Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordneten Ventileinheit, die ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe umfasst, wobei die Klappe um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite das Ansaugsystem versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem freigibt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – das Ventilgehäuse zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Das Ventilgehäuse der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist zumindest bereichsweise eine Wärmeisolierung auf. Die Wärmeisolierung soll der Kondensatbildung im Ventilgehäuse entgegen wirken und die Kondensatbildung vermindern bzw. verhindern helfen.
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Hierzu ist das Ventilgehäuse – zumindest bereichsweise – mit einer Wärmeisolierung versehen, d. h. beschichtet, verkleidet, behandelt oder dergleichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine Wärmeisolierung dadurch aus, dass die Wärmeisolierung eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere eine geringere Wärmeleitfähigkeit als ein gegebenenfalls für das Ventilgehäuse verwendeter Grundwerkstoff.
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Das von der kühleren Umgebungsluft auf der Außenseite gekühlte Ventilgehäuse entzieht dem heißen im Ventilgehäuse befindlichen Abgas Wärme infolge Wärmeleitung, wobei die erfindungsgemäße Wärmeisolierung als Barriere diese Wärmeleitung vermindern bzw. erschweren soll, wodurch wiederum der Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
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Erfindungsgemäß dient die Wärmeisolierung somit als Wärmebarriere, durch welche die Wärmedurchlässigkeit des Ventilgehäuses reduziert wird. Durch diese Maßnahme soll die von der Innenseite des Ventilgehäuses via Gehäusewandungen auf die Außenseite des Ventilgehäuses abgeführte Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert werden.
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Zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Ventilgehäuses kann auch ein herkömmliches Ventilgehäuse dienen, das im Rahmen einer Nachbearbeitung bzw. Nachrüstung zu einem erfindungsgemäßen Ventilgehäuse erweitert bzw. modifiziert wird.
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Die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters aufgrund von Kondensattröpfchen wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Ventilgehäuses vermindert.
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Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Beschädigung des Verdichters infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
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Im Rahmen der Abgasrückführung wird vorzugsweise Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt, das einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Auf diese Weise können Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, vermieden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Achse nahe des Randes, d. h. nahe eines Randabschnitts der Klappe angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Klappe ähnlich einer Tür seitlich gelagert und verschwenkbar, nämlich an einem ihrer Ränder. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Klappe von mittig gelagerten Absperrelementen bzw. Klappen wie beispielsweise einem Schmetterlingsventil.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Achse nahe der Wandung, d. h. nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems angeordnet ist. Das Ansaugsystem übernimmt hinsichtlich der Klappe regelmäßig die Funktion eines Rahmens, d. h. umrahmt die Klappe. Insofern ist eine Ausführungsform, bei der die Achse nahe eines Randabschnitts der Klappe angeordnet ist, in der Regel auch eine Ausführungsform, bei der die Achse nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems angeordnet ist. Der wesentliche Vorteil beider Ausführungsformen ist, dass die Klappe in der zweiten Endposition wandnah positioniert ist, so dass ein vollständig freier Durchgang für die Frischluft geschaffen wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventilgehäuse zu mehr als 40% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventilgehäuse zu mehr als 60% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind besonders Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventilgehäuse zu mehr als 80% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventilgehäuse vollständig bzw. nahezu vollständig mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
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Je umfangreicher das Ventilgehäuse wärmeisoliert ist desto effektiver kann die Wärmeisolierung ihre Funktion als Wärmebarriere erfüllen und desto effektiver wird der Kondensatbildung entgegen gewirkt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Kunststoff umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Keramik umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung Emaille umfasst.
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Kunststoff, Keramik sowie Emaille und dergleichen zeichnen sich durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass diese Werkstoffe besonders geeignet sind für die Ausbildung einer Wärmeisolierung zur Vermeidung einer Kondensatbildung im Ventilgehäuse.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung zumindest auch mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet ist. Zur Ausbildung der Wärmeisolierung kann auch zunächst Material, beispielweise Emaille oder Keramik oder dergleichen, eingebracht und anschließend oberflächenbehandelt werden. Gegebenenfalls wird die Wärmeisolierung ausschließlich mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung zumindest auch durch Verwendung verschiedener Werkstoffe für das Ventilgehäuse ausgebildet ist, in der Art, dass ein Werkstoff eine Wärmeleitfähigkeit λlow und ein anderer Werkstoff eine Wärmeleitfähigkeit λhigh aufweist, wobei gilt: λlow < λhigh.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung mindestens ein in einem Hohlraum befindliches Gaspolster umfasst. Das Gaspolster bzw. Luftpolster dient als Wärmebarriere, wodurch die Wärmeleitfähigkeit bzw. die Wärmedurchlässigkeit des Ventilgehäuses reduziert wird.
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Vorliegend muss der Hohlraum kein hermetisch abgeschlossener Raum sein. Das Gaspolster kann auch eine Ausnehmung bzw. Hinterschneidung eines doppelwandigen Ventilgehäuses füllen, die zu den Rändern hin offen ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Hohlraum aber ein abgeschlossener Raum, aus dem die Luft nicht entweichen kann. Anstelle von Luft kann auch jedes andere Gas bzw. eine Flüssigkeit oder dergleichen verwendet werden, beispielsweise Styropor oder dergleichen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventilgehäuse modular aufgebaut ist. Insbesondere wenn die Wärmeisolierung bzw. das Ventilgehäuse ein in einem Hohlraum befindliches Luftpolster oder dergleichen umfasst und/oder aus mehreren verschiedenen Werkstoffen gefertigt ist, eignet sich ein modularer Aufbau des Ventilgehäuses.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Hohlraum zumindest auch unter Verwendung von Schalungselementen ausgebildet ist, wobei die Schalungselemente der Ausbildung eines zumindest bereichsweise doppelwandigen Ventilgehäuses und damit der Ausbildung des mindestens einen Hohlraums dienen.
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Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventilgehäuse zumindest bereichsweise doppelwandig ist, wodurch der mindestens eine Hohlraum zumindest mit ausgebildet ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Hohlraum zumindest auch unter Verwendung von zueinander beabstandet angeordneten Schalungselementen ausgebildet ist, wobei innere Schalungselemente ein permanent abgasführendes System bilden und zu den inneren Schalungselementen beabstandet angeordnete äußere Schalungselemente der Ausbildung des mindestens einen Hohlraums dienen.
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Das Ventilgehäuse kann ein – beispielsweise aus Blechen – gebautes System sein, bei dem der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Zusammenbaus unter Verwendung von zueinander beabstandet angeordneten Schalungselementen ausgebildet wird. An dieses Ventilgehäuse können gegebenenfalls Gussteile bzw. andere Komponenten angebracht sein bzw. werden.
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Das Ventilgehäuse kann auch ein Gussteil bzw. monolithisches Bauteil sein, in welches der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Gießvorganges bzw. Fertigungsprozesses als integraler Bestandteil mit eingearbeitet wird. Ein monolithisches Bauteil kann auch mittels 3D-Drucken gefertigt werden.
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Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung eine mit Abgas beaufschlagte Innenseite des Ventilgehäuses zumindest mit ausbildet.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Wärmeisolierung eine nicht mit Abgas beaufschlagte Außenseite des Ventilgehäuses zumindest mit ausbildet.
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Im Gegensatz zu einem Ventilgehäuse, bei dem die Wärmeisolierung auf der Innenseite vorgesehen ist, muss das heiße Abgas bei einem Ventilgehäuse, bei dem die Wärmeisolierung auf der Außenseite vorgesehen ist, erst die mit heißem Abgas beaufschlagten Innenwandungen des Ventilgehäuse aufheizen bzw. erwärmen, bevor die auf der Außenseite vorgesehene Wärmeisolierung ihre Wirkung als Wärmebarriere entfalten kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Hinsichtlich der vorstehenden Ausführungsform wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Abgasturboaufladung bereits gemachten Ausführungen, insbesondere die herausgestellten Vorteile.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet hinsichtlich der Aufladung ein dichtes Packaging. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden. Bei einem Abgasturbolader kann die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslassseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers häufig angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
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Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine Verdichter in Axialbauweise ausgeführt ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des mindestens einen Laufrades verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem mindestens einen Laufrad im Wesentlichen axial erfolgt.
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Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.
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Bei Verwendung mindestens eines Abgasturboladers sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung gemäß einer Niederdruck-AGR stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt.
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Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem einleitet und zwar vorzugsweise stromabwärts des Verdichters, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
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Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft bzw. Verbrennungsluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist. Das erste Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts des Absperrelements im Abgasabführsystem zu steigern, und damit für eine Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das zweite Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit – wie das erste Absperrelement – zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das erste und/oder das zweite Absperrelement eine verschwenkbare bzw. verdrehbare Klappe ist.
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Um die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehr Abgasturbolader vorzusehen, beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Abgasturbolader. 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 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.
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Die Drehmomentcharakteristik kann des Weiteren 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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Ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftströmen ist auch bei parallel angeordneten Turboladern möglich, so dass bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitgestellt werden können, um auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten.
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Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einem einzelnen Abgasturbolader, da die kleineren Turbinen weniger träge sind und sich das Laufzeug einer kleiner dimensionierten Turbine und eines kleiner dimensionierten Verdichters schneller beschleunigen lässt.
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Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Ventileinheit zusätzlich mit einem Ventil ausgestattet ist, das einen Ventilkörper umfasst, der mit der Klappe verbunden und auf diese Weise mechanisch gekoppelt ist, wobei ein Verschwenken der Klappe ein Verstellen des Ventils im Raum bedingt und der Ventilkörper die Rückführleitung entweder freigibt oder versperrt. Folglich kann die Klappe als Betätigungseinrichtung für das Ventil dienen.
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Sämtlichen Varianten der vorstehenden Ausführungsform ist gemein, dass die Klappe nur der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Luftmenge dient und nicht der Dosierung der rückgeführten Abgasmenge. Letzteres wird mit dem Ventil bewerkstelligt, welches beim Versperren in der Rückführleitung steckt und als AGR-Ventil dient.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Abstandes ∆ ausgebildet und angeordnet ist. Eine verdichternahe Anordnung des Knotenpunktes verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem bis hin zu dem mindestens einen Laufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird. Einer Bildung von Kondensattröpfchen wird dadurch also entgegengewirkt.
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Zudem ist ein unter Verwendung der Klappe in die Strömung eingebrachter Drall beim Eintritt der Ladeluft in das Laufrad immer noch wirksam, d. h. noch ausgeprägt. Vorteilhaft sind nämlich Ausführungsformen, bei denen die Klappe nicht eben ist und zumindest an der Vorderseite mindestens eine Deformation als Unebenheit aufweist. Die Deformation der Klappe ruft strömungstechnisch günstige Effekte hervor. Einer im Wesentlichen axialen Ladeluftströmung bzw. Frischluftströmung kann mit Hilfe der Klappe eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Welle des Verdichters, d. h. ein Drall, aufgezwungen werden. Dadurch kann die Pumpgrenze des Verdichters hin zu kleineren Ladeluftströmen verschoben werden, weshalb bereits bei kleinen Ladeluftströmen höhere Ladedruckverhältnisse erzielt werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 2.0DV bzw. ∆ ≤ 1.5DV, wobei DV den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 1.0DV, vorzugsweise ∆ ≤ 0.75DV.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch und in einer Seitenansicht den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung und Ventileinheit, teilweise geschnitten.
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1 zeigt schematisch und in einer Seitenansicht den im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung 5 und Ventileinheit 3, teilweise geschnitten.
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Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 umfasst. Der Verdichter 2 ist ein Radialverdichter 2b, in dessen Gehäuse 2c ein auf einer drehbaren Welle 2d gelagertes Laufrad 2e umläuft. Die Welle 2d des Laufrades 2e liegt in der Zeichenebene der 1 und verläuft horizontal.
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Der Verdichter 2 des Abgasturboladers weist einen Eintrittsbereich 2a auf, der koaxial zur Welle 2d des Verdichters 2 verläuft und ausgebildet ist, so dass der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 2 keine Richtungsänderungen aufweist und die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 2 des Abgasturboladers bzw. dessen Laufrad 2e im Wesentlichen axial erfolgt.
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Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung 5 ausgestattet, welche eine Rückführleitung 5a umfasst, die stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 2 und des Verdichterlaufrades 2e unter Ausbildung eines Knotenpunktes 5b in das Ansaugsystem 1 mündet. Der Knotenpunkt 5b ist vorliegend unter Ausbildung eines geringen Abstandes nahe des Verdichters 2 angeordnet.
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Am Knotenpunkt 5b ist eine Ventileinheit 3 angeordnet, die ein Ventilgehäuse 3d und eine in dem Ventilgehäuse 3d angeordnete Klappe 3a umfasst.
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Zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient ein AGR-Ventil 6, welches ebenfalls im Ventilgehäuse 3d platziert ist. Das AGR-Ventil 6 umfasst einen Ventilkörper 6a, der die Rückführleitung 5a in der dargestellten Position abdeckt und mit der verschwenkbaren Klappe 3a verbunden und auf diese Weise mechanisch mit der Klappe 3a gekoppelt ist, wobei ein Verschwenken der Klappe 3a ein Verstellen des Ventilkörpers 6a bedingt, d. h. ein Bewegen bzw. Drehen des Ventilkörpers 6a im Raum. Folglich dient die Klappe 3a als Betätigungseinrichtung für das Ventil 6 bzw. den Ventilkörper 6a.
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Die Klappe 3a ist um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse 3b verschwenkbar. Diese quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse 3b, um welche die Klappe 3a verschwenkbar ist, steht senkrecht auf der Zeichenebene. Vorliegend ist diese Achse 3b nahe eines Randabschnitts der Klappe 3a und nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems 1 angeordnet, so dass die Klappe 3a ähnlich einer Tür seitlich gelagert ist.
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1 zeigt die Klappe 3a in zwei unterschiedlichen Schwenkpositionen. In einer ersten Endposition, in der die Klappe 3a senkrecht auf der virtuellen Verlängerung der Verdichterwelle 2d steht, versperrt die Klappe 3a mit ihrer Vorderseite 3a´ das Ansaugsystem 1. In einer zweiten Endposition, in der die Klappe 3a sich parallel zur virtuellen Verlängerung der Verdichterwelle 2d erstreckt, verdeckt die Rückseite 3a´´ der Klappe 3a die Rückführleitung 5a der Abgasrückführung 5, wohingegen das Ansaugsystem 1 freigegeben wird. Das Ventil 6 als solches ist nur für die in der zweiten Endposition befindliche Klappe 3a dargestellt.
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Ein Verschwenken der Klappe 3a ist mit einem Verstellen des Ventilkörpers 6a des AGR-Ventils 6 verbunden, wobei die Klappe 3a nur der Einstellung der via Ansaugsystem 1 zugeführten Luftmenge dient und nicht der Dosierung der rückgeführten Abgasmenge. Letzterem dient das AGR-Ventil 6.
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Das Ventilgehäuse 3d ist auf der Außenseite bereichsweise mit einer Wärmeisolierung 4 versehen, um einer Abkühlung des im Ventilgehäuse 3d befindlichen Abgases entgegen zu wirken und dadurch die Kondensatbildung im Ventilgehäuse 3d zu vermindern bzw. zu verhindern. Die Wärmeleitung via Ventilgehäuse 3d nach außen soll gehemmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansaugsystem
- 2
- Verdichter, Verdichter des Abgasturboladers
- 2a
- Eintrittsbereich des Verdichters des Abgasturboladers
- 2b
- Radialverdichter
- 2c
- Gehäuse des Verdichters
- 2d
- Welle des Verdichters
- 2e
- Laufrad des Verdichters
- 3
- Ventileinheit
- 3a
- Klappe
- 3a´
- Vorderseite der Klappe
- 3a´´
- Rückseite der Klappe
- 3b
- Schwenkachse der Klappe
- 3c
- Lagerung der Klappe
- 3d
- Ventilgehäuse
- 4
- Wärmeisolierung
- 5
- Abgasrückführung
- 5a
- Rückführleitung
- 5b
- Knotenpunkt
- 6
- AGR-Ventil
- 6a
- Ventilkörper
- ∆
- Abstand des Knotenpunktes zum Laufrad
- AGR
- Abgasrückführung
- DV
- Durchmesser des mindestens einen Laufrades
- mAGR
- Masse an zurückgeführtem Abgas
- mFrischluft
- Masse an zugeführter Frischluft
- xAGR
- Abgasrückführrate