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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens zwei Zylinder, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist und sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung anschließt,
- – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, die über eine gemeinsame in einem Lagergehäuse drehbar gelagerte Welle verfügen,
- – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der mindestens einen Turbine im Abgasabführsystem angeordnet ist, und
- – der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine fremdgezündete Ottomotoren, aber auch fremdgezündete Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren mit Fremdzündung nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der fremdgezündeten 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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Fremdgezündete Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden bzw. sind.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren bzw. Zylinderbohrungen geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren bzw. Zylinderbohrungen und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
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Der Zylinderkopf dient häufig auch zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Abgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Ein- und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden daher auch zunehmend zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen vorgesehen.
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Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Sind zwei oder mehr Auslassöffnungen je Zylinder vorgesehen, werden die Abgasleitungen der Zylinder häufig – innerhalb des Zylinderkopfes – zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, bevor Teilabgasleitungen dann zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden. Die Zusammenführung der Abgasleitungen bis hin zu der Gesamtabgasleitung wird im allgemein und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bzw. Krümmer bezeichnet.
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Stromabwärts eines Krümmers werden die Abgase dann erfindungsgemäß der Turbine mindestens eines Abgasturboladers und einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
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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 die 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 nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.
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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 mindestens einen Abgasturbolader, wobei mindestens ein weiterer Verdichter vorgesehen sein kann und zwar sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines weiteren Abgasturboladers.
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Grundsätzlich wird angestrebt, die Turbine möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten, da zur Verbesserung des Ansprechverhaltens das Abgasvolumen in den Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine möglichst gering sein sollte. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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In diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann. Diese Maßnahme reduziert auch die mit Abgas beaufschlagte Oberfläche des Abgassystems stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems bzw. stromaufwärts der Turbine und damit den Wärmeübergang. Geeignete Werkstoffe sind ebenfalls zielführend.
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Im Hinblick auf den Einsatz eines Turboladers wird zudem angestrebt, den Druckverlust in der Abgasströmung bis zum Eintritt in die Turbine möglichst gering zu halten, was durch eine geeignete Strömungsführung und eine weitestgehende Verkürzung der Abgasleitungen bis hin zur Turbine erreicht werden kann.
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Nach dem Stand der Technik wird ein Abgasturbolader auslassseitig, benachbart zur Brennkraftmaschine und regelmäßig horizontal angeordnet, d. h. in der Weise, dass die Welle des Abgasturboladers horizontal ausgerichtet ist.
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Die im Lagergehäuse unter Verwendung eines Gleitlagers drehbar gelagerte Welle des Abgasturboladers muss mit Öl versorgt werden bzw. versorgt werden können, damit sich im Lager ein tragfähiger Ölfilm zur Aufnahme der – im Wesentlichen radialen – Lagerkräfte aufbauen kann. Dies erschwert die Anbindung des Abgasturboladers und damit der Turbine an die Brennkraftmaschine.
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Nimmt die der Turbine zugeführte Abgasmenge ab, nimmt die Drehzahl der Turbine bzw. des Laders ebenfalls ab. Fällt die Drehzahl der Laderwelle unter eine Mindestdrehzahl oder kommt die Laderwelle gar zum Stillstehen, kann sich eine Festkörperreibung einstellen und die Dichtung der Lagerung der ölgeschmierten Laderwelle kann lecken; insbesondere verdichterseitig. Eine ansaugseitige Ölleckage hat gravierende Nachteile. Gelangt Öl via dem zugehörigen ersten Verdichter in das Ansaugsystem, beeinflusst die mit Öl kontaminierte den Zylindern zugeführte Ladeluft den Verbrennungsprozess nachteilig, wodurch sich insbesondere die Partikelrohemissionen stark erhöhen können. Das Öl kann sich auch an den Innenwandungen des Ansaugsystems ablagern und die Strömungsbedingungen im Ansaugsystem bzw. im Verdichter verschlechtern sowie einen stromabwärts angeordneten Ladeluftkühler verunreinigen.
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Die sich bei nicht tragfähigem Ölfilm zwischen der Laderwelle und dem Lagergehäuse einstellende Festkörperreibung führt infolge der dann generierten Reibleistung zu Wirkungsgradverlusten und gegebenenfalls zu einer Beschädigung bzw. Zerstörung des Lagers.
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Ein Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbine wird nach dem Stand der Technik in der Regel benachbart zur Getriebeglocke – häufig quer – angeordnet, d. h. eingebaut, so dass eine nicht unerhebliche Wegstrecke zwischen Turbine und Abgasnachbehandlungssystem mittels Abgasleitung zu überbrücken ist.
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Im Hinblick auf die oben genannten Ziele wäre es hingegen vorteilhaft, das Abgas unmittelbar nach Durchlaufen der Turbine einer Abgasnachbehandlung zuzuführen, um eine hohe Konvertierungsrate zu realisieren bzw. zu gewährleisten. Insofern wäre ein sich unmittelbar an die Turbine anschließendes Abgasnachbehandlungssystem zu bevorzugen. Eine derartige Anordnung wird aber erschwert durch die beengten Platzverhältnisse im Motorraum bzw. am Zylinderkopf und eine Entwicklung hin zu großvolumigen Abgasnachbehandlungssystemen.
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Letzteres ist auch dadurch bedingt, dass zur Einhaltung der immer restriktiveren Grenzwerte für Schadstoffemissionen ausreichend große Volumina erforderlich sind. Das Volumen des Abgasnachbehandlungssystems hat Einfluss auf die Verweildauer des Abgases im Nachbehandlungssystem und damit auf die Konvertierung der Schadstoffe, d. h. die Konvertierungsrate.
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Des Weiteren werden zunehmend kombinierte Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt, die unterschiedliche Katalysatoren und/oder Filter umfassen, d. h. in sich vereinigen. So werden Oxidationskatalysatoren, Stickoxidspeicherkatalysatoren, selektive Katalysatoren und/oder Partikelfilter kombiniert als integrale Abgasnachbehandlungssysteme ausgeführt, weshalb sich das Volumen der Nachbehandlungssysteme vergrößert. Größer dimensionierte Abgasnachbehandlungssysteme benötigen aber mehr Bauraum, was einem dichten Packaging und einer möglichst vorteilhaften, d. h. motornahen Anordnung entgegen steht.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die über ein dichtes Packaging verfügt und bei der insbesondere eine möglichst vorteilhafte bzw. motornahe Anordnung sowohl der Turbine und des Verdichters als auch des Abgasnachbehandlungssystems realisiert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens zwei Zylinder, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist und sich an jede Einlassöffnung eine Ansaugleitung anschließt,
- – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, die über eine gemeinsame in einem Lagergehäuse drehbar gelagerte Welle verfügen,
- – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der mindestens einen Turbine im Abgasabführsystem angeordnet ist, und
- – der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – mindestens ein Abgasturbolader seitlich des Zylinderkopfes angeordnet ist, wobei die Welle dieses Abgasturboladers im Wesentlichen in Richtung der Zylinder ausgerichtet ist, und
- – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem seitlich des Zylinderblocks angeordnet ist, wobei sich dieses Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen in Richtung der Zylinder erstreckt.
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Erfindungsgemäß wird mindestens ein Abgasturbolader seitlich des Zylinderkopfes angeordnet und zwar in der Weise, dass die Welle dieses Abgasturboladers im Wesentlichen in Richtung der Zylinder ausgerichtet ist, d. h. vertikal verläuft und nicht wie im Stand der Technik horizontal.
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Vorteilhafterweise ist die Welle des Abgasturboladers in der Einbauposition der Brennkraftmaschine im Wesentlichen in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet. Bei Reihenmotoren, bei denen sich die Zylinder in der – gegebenenfalls geringfügig geneigten – Einbauposition der Brennkraftmaschine im Wesentlichen in Richtung der Erdbeschleunigung erstrecken, ist die Welle des Abgasturboladers dann – wie vorstehend beschrieben – im Wesentlichen in Richtung der Zylinder ausgerichtet, d. h. die Welle verläuft im Wesentlichen parallel zu den Zylinderlängsachsen.
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Das konstruktive Merkmal, nach welchem sich die Welle im Wesentlichen in Richtung der Zylinder bzw. der Erdbeschleunigung erstreckt, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dahingehend auszulegen, dass die Welle mit den Zylinderlängsachsen zumindest in der Projektion in Richtung der Kurbelwelle einen spitzen Winkel α < 15°, vorzugsweise α < 8°, bildet bzw. parallel beabstandet zu den Zylinderlängsachsen verläuft.
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Die erfindungsgemäße Orientierung bzw. Anordnung des Abgasturboladers ist besonders vorteilhaft, da die Welle des Abgasturboladers nicht bzw. nahezu nicht mit quer zur Welle verlaufenden, beispielsweise radialen, Lagerkräften beaufschlagt wird. Dies ermöglicht im Einzelfall den Verzicht auf eine mit Öl zu versorgende Gleitlagerung und damit den Wegfall der Ölversorgung des Abgasturboladers. Des Weiteren lassen sich auch eine motornahe Anordnung der Turbine und ein dichtes Packaging realisieren.
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Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem seitlich des Zylinderblocks angeordnet und zwar in der Art, dass es sich im Wesentlichen in Richtung der Zylinder erstreckt. Das letztgenannte Merkmal, nach welchem sich das Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen in Richtung der Zylinder erstreckt, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dahingehend auszulegen, dass das Abgasnachbehandlungssystem, d. h. die Längsachse des Abgasnachbehandlungssystems, welche durch die Hauptdurchströmungsrichtung des Abgases vorgegeben wird, mit den Zylinderlängsachsen zumindest in der Projektion in Richtung der Kurbelwelle einen spitzen Winkel α < 15°, vorzugsweise α < 8°, bildet bzw. parallel beabstandet zu den Zylinderlängsachsen verläuft.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht ein dichtes Packaging. Darüber hinaus muss das aus der Turbine austretende Abgas nicht bzw. nur geringfügig umgelenkt werden und nur eine kurze Wegstrecke bis hin zur Abgasnachbehandlung überbrücken. Insbesondere können Ausführungsformen, bei denen sich das Abgasnachbehandlungssystem unmittelbar an die Turbine anschließt und der Austrittsbereich der Turbine unmittelbar in den Eingangsbereich zum Abgasnachbehandlungssystem übergeht, realisiert werden. Sowohl die Turbine als auch das Abgasnachbehandlungssystem können überaus motornah angeordnet werden, wobei das Abgasnachbehandlungssystem gleichmäßig mit Abgas beaufschlagt wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die über ein dichtes Packaging verfügt und bei der insbesondere eine möglichst vorteilhafte bzw. motornahe Anordnung sowohl der Turbine und des Verdichters als auch des Abgasnachbehandlungssystems realisiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind – wie bereits erwähnt – Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Welle des Abgasturboladers in der Einbauposition der Brennkraftmaschine im Wesentlichen in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei die Gesamtansaugleitung das Abgas zur Turbine leitet.
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Um die thermische Trägheit und die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine zu reduzieren, ist es vorteilhaft, den Abgaskrümmer in den Zylinderkopf zu integrieren. Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, wobei auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine bzw. stromaufwärts des Abgasnachhandlungssystems minimiert wird.
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Die Verwendung eines derartigen Zylinderkopfes führt des Weiteren zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten. Durch die kompakte Bauweise des Zylinderkopfes wird ein dichtes Packaging der Antriebseinheit unterstützt.
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Weist der mindestens eine Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß der vorstehenden Ausführungsform.
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Ausführungsformen des Zylinderkopfes mit beispielsweise vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei denen die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, können ebenfalls zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dienen. Diese Ausführungsform gestattet den Einsatz von zwei Turbinen bzw. zwei Abgasturboladern bei Verwendung eines einzelnen Zylinderkopfes und eignet sich auch für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts bzw. in der Turbine, aber vorliegend nicht stromaufwärts der Turbine.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist. Wie bereits erwähnt, ist es während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslassöffnung je Zylinder vorteilhaft ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen ist. Der Ladeluftkühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der im Verdichter komprimierten Ladeluft. Der Kühler trägt so zu einer besseren Zylinderfüllung bei.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ladeluftkühler in der Einbauposition der Brennkraftmaschine oberhalb des mindestens einen Zylinderkopfes angeordnet ist.
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Vorliegend ist der Ladeluftkühler oberhalb des Zylinderkopfes und damit oberhalb der Einlassöffnungen der Zylinder angeordnet, d. h. der Ladeluftkühler ist geodätisch höher als die Zylindereinlässe angeordnet. Eventuell im Kühler auskondensierte Flüssigkeit wird kontinuierlich von der Ladeluftströmung mitgenommen, d. h. infolge Kinetik mitgerissen, und sammelt sich nicht im Ansaugsystem zwischen dem Kühler und den Zylindern. Der Transport des Kondensats beruht dabei auf der Ladeluftbewegung und ist aufgrund der Anordnung des Ladeluftkühlers oberhalb des Zylinderkopfes zusätzlich schwerkraftgetrieben. Vorteile bietet dies insbesondere bei Einsatz einer Niederdruck-AGR und Rückführung großer Abgasmengen mittels dieser Niederdruck-AGR.
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Die Anordnung des Ladeluftkühlers oberhalb des Zylinderkopfes sorgt zudem für ein dichtes Packaging der gesamten Antriebeinheit, d. h. eine kompakte Bauweise. Zudem lassen sich durch die Anordnung des Ladeluftkühlers oberhalb des Zylinderkopfes auch einlassseitig kurze Wegstrecken realisieren.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen ein Luftfilter stromaufwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen ist. Der Luftfilter verhindert das Teilchen, insbesondere Festkörperpartikel, mit der Ladeluft in die Zylinder gelangen. Dadurch werden Beschädigungen vermieden und die Haltbarkeit bzw. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine wird erhöht.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der Luftfilter in der Einbauposition der Brennkraftmaschine oberhalb des mindestens einen Zylinderkopfes angeordnet ist. Diese Anordnung des Luftfilters führt zu einer kompakten Bauweise der Antriebseinheit und einem dichten Packaging. Es lassen sich auch einlassseitig kurze Wege für die Ladeluft im Ansaugsystem realisieren.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Ladeluftkühler und der Ladeluftfilter als vormontierbare bzw. vormontierte Baugruppe ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Montage und senkt somit die Montagekosten und damit die Herstellungskosten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mit einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Insbesondere bei der Integration des Krümmers in den Zylinderkopf ist der Zylinderkopf thermisch hoch belastet, weshalb höhere Anforderungen an die Kühlung gestellt werden und eine Flüssigkeitskühlung bevorzugt wird.
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Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblocks mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. Block führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes bzw. Blocks an das Kühlmittel, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes bzw. Blocks abgeführt und dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher wieder entzogen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen dem im Zylinderkopf integrierten Abgasabführsystem und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite des Abgasabführsystems angeordnet ist, aufweist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen beabstandet zum integrierten Abgasabführsystem bzw. Abgaskrümmer an der den Zylindern abgewandten Seite des Abgasabführsystems mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient. Die Kühlung kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Welle des mindestens einen Abgasturboladers im Wesentlichen parallel zu einer Zylinderlängsachse eines Zylinders ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Welle des mindestens einen Abgasturboladers unter Verwendung von mindestens einem Wälzlager im Lagergehäuse drehbar gelagert ist.
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Vorteilhaft können ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine sein, bei denen die Welle des mindestens einen Abgasturboladers unter Verwendung von mindestens zwei Wälzlagern im Lagergehäuse drehbar gelagert ist.
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Die erfindungsgemäße Ausrichtung bzw. Anordnung der Welle des Abgasturboladers sorgt dafür, dass die Welle des Abgasturboladers nicht quer zu ihrer Längsachse bzw. Drehachse mit Lagerkräften belastet wird. Vielmehr muss das Lagergehäuse bzw. die Lagerung der Welle erfindungsgemäß und vorwiegend die Gewichtskraft des Laufzeugs der Turbine sowie des Verdichters aufnehmen. Bei geeigneter Formgebung der Laufräder wird bei in Betrieb befindlichem Abgasturbolader, d. h. bei umlaufender Welle, zudem eine das Laufzeug anhebende Kraft erzeugt, wodurch das Laufzeug geliftet und das Lagergehäuse weiter entlastet wird.
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Wälzlager eignen sich im Einzelfall zur Ausbildung der Lagerung und Aufnahme der vorwiegend axial wirkenden Lagerkräfte und haben den Vorteil, dass eine Versorgung der Welle mit Öl – wie beim Gleitlager, d. h. wie beim hydrodynamischen Lager – grundsätzlich entfallen kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem im Wesentlichen parallel zu einer Zylinderlängsachse eines Zylinders ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem mit der Welle des mindestens einen Abgasturboladers fluchtet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ist.
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Vorteilhaft sind dabei insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das kombinierte Abgasnachbehandlungssystem ein Vier-Wege-Katalysator ist.
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Ein Vier-Wege-Katalysator umfasst einen Oxidationskatalysator, der insbesondere zur Oxidation des im Abgas befindlichen Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe dient, einen Speicherkatalysator zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide und einen Partikelfilter zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen Rußpartikel. Durch die Kombination der verwendeten Nachbehandlungssysteme wird eine zufriedenstellende Reduzierung der vier maßgeblichen Schadstoffe erzielt, weshalb der Katalysator auch als Vier-Wege-Katalysator bezeichnet wird.
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Weist der mindestens eine Zylinderkopf einen integrierten Kühlmittelmantel auf, können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der Turbine verbunden ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine eine Radialturbine ist. Bei Radialturbinen erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft.
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Eine Radialturbine erleichtert es, das Laufzeug der Turbine in der erfindungsgemäßen Weise anzuordnen. Denn damit die Laufschaufeln des Laufrades radial angeströmt werden, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases vorzugsweise als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die in die Turbine eingeleiteten Abgase tangential zum Laufrad verlaufend eintreten.
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Die Turbine kann auch eine Axialturbine oder Mixed-Flow-Turbine sein. Die Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet.
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Grundsätzlich kann die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer in Reihe und/oder parallel angeordneter Abgasturbolader, gegebenenfalls in Kombination mit einem oder mehreren Ladern mit Hilfsantrieb.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den
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1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch in einer Seitenansicht die Anordnung des Abgasturboladers und des Abgasnachbehandlungssystems einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitsamt Ladeluftkühler und Luftfilter, und
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1b schematisch in einer Seitenansicht die Anordnung des Abgasturboladers und des Abgasnachbehandlungssystems einer zweiten Ausführungsform der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitsamt Ladeluftkühler und Luftfilter.
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1a zeigt schematisch in einer Seitenansicht die Anordnung des Abgasturboladers 7 und des Abgasnachbehandlungssystems 5 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitsamt dem Ladeluftkühler 3b und dem Luftfilter 3a, wobei die Brennkraftmaschine nicht dargestellt ist.
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Die fremdgezündete Brennkraftmaschine ist ein Reihenmotor und zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 7 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 4 angeordnete Turbine 7a und einen im Ansaugsystem 3 angeordneten Verdichter 7b umfasst. Die gemeinsame Welle 7c der Turbine 7a und des Verdichters 7b ist unter Verwendung von Wälzlagern 6, vorliegend zwei Kugellagern 6, drehbar in einem Lagergehäuse gelagert, wobei die Welle 7c im Wesentlichen in Richtung der Zylinder, d. h. in der Einbauposition der Brennkraftmaschine im Wesentlichen in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet ist.
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Die Ladeluft 3´ wird den Zylindern via Ansaugsystem 3 zugeführt. Nach Durchströmen des Luftfilters 3a wird die im Filter 3a gereinigte Ladeluft 3´ im Verdichter 7b komprimiert und vor Einleiten in die Zylinder im Ladeluftkühler 3b gekühlt. Der Ladeluftkühler 3b und der Ladeluftfilter 3a bilden eine vormontierte Baugruppe, wodurch die Montage erleichtert und eine kompakte Bauweise realisiert wird.
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Das Abgas 4´ wird via Abgasabführsystem 4 aus den Zylindern abgeführt und der Turbine 7a des Abgasturboladers 7 zugeführt. Die Turbine 7a weist ein Laufzeug auf, welches in einem Spiralgehäuse drehbar auf der Welle 7c gelagert ist. Stromabwärts der Turbine 7a wird das Abgas 4´ einem Abgasnachbehandlungssystem 5 zugeführt, das sich – wie die Welle 7c des Laders 7 – im Wesentlichen in Richtung der Zylinder, d. h. im Wesentlichen in Richtung der Erdbeschleunigung erstreckt.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 5 ist in der Art angeordnet, dass die Längsachse des Abgasnachbehandlungssystems 5, welche durch die Hauptdurchströmungsrichtung (mit Pfeil kenntlich gemacht) des Abgases 4´ vorgegeben wird, mit der Welle 7c des Abgasturboladers 7 fluchtet.
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1b zeigt schematisch in einer Seitenansicht die Anordnung des Abgasturboladers 7 und des Abgasnachbehandlungssystems 5 einer zweiten Ausführungsform der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 mitsamt dem Ladeluftkühler 3b und dem Luftfilter 3a. Es sollen vorliegend die Unterschiede zu 1a erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet. Zudem wird ergänzend zu 1a ausgeführt.
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Der Abgasturbolader 7 der Brennkraftmaschine 1 ist seitlich des Zylinderkopfes 1a und das Abgasnachbehandlungssystem 5 seitlich des Zylinderblocks 1b angeordnet, wobei sich sowohl die Welle 7c des Abgasturboladers 7 als auch das Abgasnachbehandlungssystem 5 in Richtung der Zylinder 2, d. h. parallel zu den Zylinderlängsachsen 2a erstrecken.
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Der Luftfilter 3a sowie der Ladeluftkühler 3b sind in der dargestellten Einbauposition der Brennkraftmaschine 1 oberhalb des Zylinderkopfes 1a angeordnet, wobei die Ladeluft 3´ nicht – wie bei der in 1a dargestellten Ausführungsform – von oben, sondern seitlich in den Luftfilter 3a eintritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine, Reihenmotor
- 1a
- Zylinderkopf
- 1b
- Zylinderblock
- 2
- Zylinder
- 2a
- Zylinderlängsachse
- 3
- Ansaugsystem
- 3´
- Ladeluft
- 3a
- Luftfilter
- 3b
- Ladeluftkühler
- 4
- Abgasabführsystem
- 4´
- Abgas
- 5
- Abgasnachbehandlungssystem
- 6
- Wälzlager, Kugellager
- 7
- Abgasturbolader
- 7a
- Turbine
- 7b
- Verdichter
- 7c
- Welle des Abgasturboladers, Drehachse
