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Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs.
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Ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Verbrennungskraftmaschine stößt während seines Betriebs permanent Abgase aus. Dagegen kann sich ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug zumindest während eines rein elektrischen Betriebs lokal emissionsfrei fortbewegen. Allerdings ist eine Elektro- und/oder Hybridtechnologie für ein Elektro- oder Hypridfahrzeug kosten- und bauraumintensiv. Allerdings ist zu beachten, dass bei Fahrten in bestimmten Gegenden, beispielsweise Garagen, Tiefgaragen oder Innenstädten Abgasemissionen unerwünscht sind.
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Eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit einem zeitweise fremdangetriebenen Abgasturbolader ist aus der Druckschrift
DE 23 03 516 A bekannt. Dabei kann zur Durchführung eines Fremdantriebs ein Druckgaserzeuger bzw. Druckgasspeicher verwendet werden, der ein Turbinenrad einer Abgasturbine beaufschlagt. Als Druckgas können hierbei Abgase der Brennkraftmaschine verwendet werden, die während eines Betriebs der Brennkraftmaschine ab einer bestimmten Drehzahl dem Druckgasspeicher zugeführt werden.
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Ein Verfahren zum Befüllen eines Druckspeichers eines Abgasturboladers ist aus der Druckschrift
DE 10 2013 220 036 A1 bekannt. Dabei ist in dem Druckspeicher gespeichertes Fluid einem Fluidverbraucher eines Fahrzeugs zuführbar, das eine Brennkraftmaschine aufweist. Weiterhin wird der Druckspeicher während einer Hochdruckphase in einem Hochdruckbereich in einem Abführabschnitt eines Fluidgangs durch fluidisches Verbinden mit dem Hochdruckbereich befüllt.
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Außerdem ist in der Druckschrift
JP 2009/041479 A beschrieben, Abgas eines Verbrennungsmotors in einer Kammer zu speichern.
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Die Druckschrift
DE 40 25 565 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgasentgiftung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine, die über eine Leitung mit einem Speicherbehälter verbunden ist. Dabei ist der Speicherbehälter über eine Speicherleitung mit einem Ventil verbunden, das dazu ausgebildet ist, die Speicherleitung über eine Abgasleitung entweder mit der Brennkraftmaschine oder mit einem Katalysator zu verbinden. Somit ist es möglich, Abgas aus dem Speicherbehälter entweder wieder der Brennkraftmaschine oder dem Katalysator zuzuführen.
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In der Druckschrift
DE 100 56 430 A1 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter beschrieben.
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Die Druckschrift
DE 198 37 509 A1 beschreibt eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsvorrichtung sowie mit einem Speichervolumen, in das für eine gewisse Zeitspanne zumindest ein Teil eines Abgasstroms der Brennkraftmaschine einleitbar ist. Dabei ist das Speichervolumen über ein Dreiwegeventil einerseits über eine Entleerungsleitung mit der Brennkraftmaschine und andererseits über eine Zweigleitung mit mindestens einer Abgasreinigungsvorrichtung verbindbar.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, Abgasemissionen eines Fahrzeugs betriebsabhängig zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird mit einem System und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des Systems und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Das erfindungsgemäße System ist zum Betreiben eines Fahrzeugs, bspw. eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet und weist einen Druckspeicher, eine Strömungsmaschine und eine Ventilanordnung auf, wobei die Ventilanordnung zwischen einer Abgasanlage und einem Endrohr des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Druckspeicher ist über die Strömungsmaschine mit der Ventilanordnung verbunden, für die mehrere Ventilstellungen vorgesehen sind. Dabei ist für die Ventilanordnung bei einem definitionsgemäß normalen Betrieb des Systems und/oder des Fahrzeugs eine erste Ventilstellung einstellbar bzw. einzustellen, wobei eine Verbindung, bspw. mindestens eine Leitung, zwischen der Abgasanlage und der Strömungsmaschine sowie dem Druckspeicher getrennt, unterbrochen und/oder geschlossen ist, und wobei die Abgasanlage hin zu dem Endrohr nach außen geöffnet ist. Somit kann in der ersten Ventilstellung Abgas aus der Abgasanlage über das Endrohr nach außen strömen. Falls für das System und/oder das Fahrzeug ein definitionsgemäß emissionsfreier Betrieb vorgesehen ist, ist für die Ventilanordnung eine zweite Ventilstellung einstellbar bzw. einzustellen, wobei die Ventilanordnung hin zu der Strömungsmaschine zu öffnen ist, wobei die Verbindung zwischen der Abgasanlage und der Strömungsmaschine sowie dem Druckspeicher zu öffnen und/oder bereitzustellen ist. In der zweiten Ventilstellung ist die Abgasanlage hin zu dem Endrohr nach außen geschlossen. Außerdem ist zusätzlich die Strömungsmaschine zu aktivieren, wobei Abgas, das über die in der zweiten Ventilstellung befindlichen bzw. zu der Strömungsmaschine geöffneten Ventilanordnung aus der Abgasanlage ausströmt, von der Strömungsmaschine zu verdichten und/oder zu komprimieren ist bzw. verdichtet wird und weiterhin in dem Druckspeicher zu speichern ist bzw. gespeichert wird.
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Die Ventilanordnung ist als 3/3-Ventilanordnung bzw. Dreiwegeventil ausgebildet, für die neben der ersten und der zweiten Ventilstellung eine dritte Ventilstellung vorgesehen ist. Falls für das System und/oder Fahrzeug ein definitionsgemäß entsorgender Betrieb vorgesehen ist, wird für die Ventilanordnung die dritte Ventilstellung eingestellt und dabei nach außen sowie hin zu der Strömungsmaschine geöffnet. Dabei wird die Verbindung zwischen der Strömungsmaschine sowie dem Druckspeicher zu dem Endrohr nach außen geöffnet und/oder bereitgestellt, wobei Abgas über die in der dritten Ventilstellung befindliche und geöffnete Ventilanordnung aus dem Druckspeicher nach außen ausströmt.
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In Ausgestaltung ist die Ventilanordnung über eine erste Verbindung, bspw. eine erste Leitung, mit der Strömungsmaschine und die Strömungsmaschine über eine zweite Verbindung, bspw. eine zweite Leitung, mit dem Druckspeicher verbunden.
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Das System kann auch eine Elektromaschine aufweisen, die der Strömungsmaschine zugeordnet ist, wobei die Strömungsmaschine im emissionsfreien Betrieb des Systems und/oder Fahrzeugs mit der Elektromaschine anzutreiben ist.
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Es ist ebenfalls möglich, dass das System eine Kühlvorrichtung aufweist, die dem Druckspeicher zum Entziehen von Wärme und/oder Kühlen von Abgas zugeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Fahrzeugs unter Nutzung eines Druckspeichers, einer Strömungsmaschine und einer Ventilanordnung vorgesehen, wobei die Ventilanordnung zwischen einer Abgasanlage und einem Endrohr des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Druckspeicher ist über die Strömungsmaschine mit der Ventilanordnung verbunden, für die mehrere Ventilstellungen vorgesehen sind. Für die Ventilanordnung wird bei einem definitionsgemäß normalen Betrieb eine erste Ventilstellung eingestellt, wobei eine Verbindung, bspw. mindestens eine Leitung, zwischen der Abgasanlage und der Strömungsmaschine sowie dem Druckspeicher getrennt, unterbrochen und/oder geschlossen wird. Außerdem ist die Abgasanlage in der ersten Ventilstellung hin zu dem Endrohr nach außen geöffnet. Falls ein definitionsgemäß emissionsfreier Betrieb vorgesehen wird, wird für die Ventilanordnung eine zweite Ventilstellung eingestellt und die Ventilanordnung hin zu der Strömungsmaschine geöffnet, wobei die Verbindung zwischen der Abgasanlage und der Strömungsmaschine sowie dem Druckspeicher geöffnet und/oder bereitgestellt wird, wohingegen die Abgasanlage hin zu dem Endrohr geschlossen wird. Außerdem wird die Strömungsmaschine aktiviert. Dabei wird Abgas, das über die in der zweiten Ventilstellung befindlichen bzw. zu der Strömungsmaschine geöffneten Ventilanordnung aus der Abgasanlage ausströmt, von der Strömungsmaschine verdichtet und in dem Druckspeicher gespeichert.
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Für die üblicherweise als 3/3-Ventilanordnung ausgebildete Ventilanordnung ist in Ausgestaltung des Verfahrens neben der ersten und der zweiten Ventilstellung eine dritte Ventilstellung vorgesehen. Falls für das System und/oder Kraftfahrzeug ein entsorgender Betrieb vorgesehen wird, wird für die Ventilanordnung die dritte Ventilstellung eingestellt, wobei die Verbindung zwischen der Strömungsmaschine sowie dem Druckspeicher hin zu dem Endrohr nach außen geöffnet und/oder bereitgestellt wird. Dabei strömt Abgas über die in der dritten Ventilstellung befindliche und geöffnete Ventilanordnung aus dem Druckspeicher zu dem Endrohr und weiterhin nach außen.
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Der entsorgende Betrieb kann vorgesehen werden, wenn das Fahrzeug in einer Gegend betrieben wird, in der ein Ausstoß von Abgas unbeschränkt ist. Dagegen kann der emissionsfreie Betrieb dann vorgesehen werden, wenn das Fahrzeug in einer Gegend betrieben wird, in der ein Ausstoß von Abgas durch einen Grenzwert beschränkt ist.
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Falls der Druckspeicher vollständig mit Abgas gefüllt ist, wird für die Ventilanordnung die erste Ventilstellung eingestellt.
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Weiterhin strömt im entsorgenden Betrieb Abgas aus dem Druckspeicher durch die Strömungsmaschine hindurch und durch die Ventilanordnung nach außen. Dabei wird eine Elektromaschine, die der Strömungsmaschine zugeordnet ist, mechanisch angetrieben und generatorisch betrieben, wobei mit der Elektromaschine mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Außerdem kann dem Druckspeicher durch eine Kühlvorrichtung Wärme entzogen und einem Kreislauf, bspw. einem Kühlkreislauf oder einem Ölkreislauf, einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs zugeführt werden.
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Mit dem vorgestellten System und/oder dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, ein üblicherweise als Kraftfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor lokal bzw. örtlich begrenzt emissionsfrei zu betreiben.
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Hierbei ist es möglich, das Fahrzeug mit dem System zumindest für eine begrenzte Zeit emissionsfrei zu betreiben, wobei in dem emissionsfreien Betrieb Abgas des Verbrennungsmotors bzw. der Verbrennungskraftmaschine in dem Druckspeicher zwischengespeichert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine zeitliche Dauer, während der das Fahrzeug emissionsfrei betrieben werden kann, von einer Größe und/oder einem Druckniveau des Druckspeichers abhängig ist.
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Das System und das Verfahren sind beispielsweise für ein Fahrzeug vorgesehen, das als Nutzfahrzeug ausgebildet ist, das aufgrund seiner Größe schnell große Mengen an Abgas ausstößt, jedoch auch einen größeren Bauraum für den Druckspeicher als ein bspw. als Personenkraftwagen ausgebildetes Fahrzeug aufweist. Das Verfahren kann für ein als Nutzfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug dann durchgeführt werden, wenn mit diesem bspw. in einer Innenstadt Waren angeliefert werden, wobei in der Innenstadt der emissionsfreie Betrieb vorgesehen ist.
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Durch Einsatz des Systems und des Verfahrens ergibt sich, dass das Fahrzeug für einen begrenzten Zeitraum, beispielsweise für eine Fahrt in einer Garage, Tiefgarage, Innenstadt oder in einer anderen Umgebung, in der Abgasemissionen besonders unerwünscht sind, emissionsfrei betrieben werden kann, ohne dass das Fahrzeug hierzu mit einer kosten- und bauraumintensiven Hybrid- und/oder Elektrotechnologie ausgestattet werden müsste.
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In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die üblicherweise als 3/3-Wege-Ventil ausgebildete Ventilanordnung, die beispielsweise eine Anordnung von mehreren Klappen aufweisen kann, nach der Abgasanlage in einer Strömungsrichtung des Abgases ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine hinter allen für eine Abgasnachbehandlung vorgesehenen Modulen angeordnet ist. Während des definitionsgemäß normalen Betriebs befindet sich die Ventilanordnung in einer ersten Schaltstellung bzw. einer Ventilstellung A, in der die Abgasanlage durch die Ventilanordnung verschlossen ist, wobei Abgas wie üblich aus der Verbrennungskraftmaschine durch die Abgasanlage bis zu einem Endrohr der Abgasanlage strömen kann.
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In dem definitionsgemäß emissionsfreien Betrieb befindet sich die Ventilanordnung in der zweiten Ventilstellung bzw. einer zweiten Schaltstellung, die auch als Ventilstellung B bezeichnet werden kann, wobei Abgas aus der Abgasanlage durch die Ventilanordnung zu der Strömungsmaschine, die eine Turbine aufweist, und an der die Elektromaschine angeschlossen ist, umgeleitet wird. Dabei wird die Elektromaschine in dem emissionsfreien Betrieb motorisch betrieben, wodurch wiederum die Strömungsmaschine angetrieben wird, die Abgas stark verdichtet und in den Druckspeicher, der bspw. einen Gastank umfassen kann, befördert. Dabei ist vorgesehen, dass das Fahrzeug so lange emissionsfrei fahren kann, bis der Druckspeicher vollständig gefüllt ist. Spätestens dann sollte die Ventilanordnung wieder in die erste Ventilstellung bzw. Schaltstellung gebracht werden.
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In einer Umgebung, die gegenüber Abgasemissionen eher unempfindlich ist, kann die Ventilanordnung in die dritte Ventilstellung bzw. Schaltstellung (Ventilstellung C) gebracht werden. In diesem Fall kann Abgas wie in der ersten Ventilstellung von der Verbrennungskraftmaschine zum Endrohr der Abgasanlage strömen. Zusätzlich wird auch der Weg von dem Druckspeicher bzw. einem entsprechenden Druckbehälter über die Strömungsmaschine und die der Abgasanlage zugeordneten Ventilanordnung zu dem Endrohr freigegeben. Somit kann das im Druckspeicher gesammelte und komprimierte Abgas über die Abgasanlage nach und nach in die Umgebung strömen. Hierbei passiert das Abgas auch die Strömungsmaschine, deren Elektromaschine nun im generatorischen Betrieb betrieben wird, wobei zumindest ein Teil der zum Verdichten des Abgases im emissionsfreien Betrieb zum Verdichten des Abgases aufgewendeten elektrischen Energie wieder zurückgewonnen werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung des Systems befindet sich am und/oder im Druckspeicher eine Kühlvorrichtung, mit der Wärme, die das Abgas ohnehin aufweist sowie auch zusätzliche Wärme, die durch Verdichten des Abgases entsteht, abgeführt wird. Somit ergibt sich u. a., dass der Druckspeicher mit einer größeren Menge Abgas und/oder schneller gefüllt werden kann.
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Wärme, die dem Druckspeicher im Rahmen des Verfahrens entzogen wird, kann wiederum bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs einem als Kühlkreislauf und/oder Ölkreislauf ausgebildeten Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Durch eine damit zu erreichende schnellere Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine sinken wiederum Abgasemissionen und ein Kraftstoffverbrauch. Außerdem steht dann schneller Wärme für eine Erwärmung eines Innenraums des Fahrzeugs zur Verfügung.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sowie auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems bei Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Abgasanlage 2 sowie ein der Abgasanlage 2 zugeordnetes Endrohr 4 eines hier als Kraftfahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs. Dabei ist die Abgasanlage 2 in einer durch Pfeile 6 angedeuteten Strömungsrichtung für strömendes Abgas einer nicht weiter darstellten Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs sowie Modulen zur Abgasnachbehandlung nachgeschaltet. Weiterhin kann Abgas aus der Abgasanlage 2 zu dem Endrohr 4 des Fahrzeugs und nach außen strömen.
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Zwischen der Abgasanlage 2 und dem Endrohr 4 ist hier eine Ventilanordnung 8 angeordnet und/oder geschaltet, die hier als Dreiwegeventil bzw. 3/3-Ventilanordnung ausgebildet ist und drei Ventilstellungen bzw. Schaltstellungen, nämlich eine erste Ventilstellung A, eine zweite Ventilstellung B sowie eine dritte Ventilstellung C einnehmen kann.
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Dabei ist vorgesehen, dass die hier gezeigte Ventilanordnung 8 sogleich auch als eine Komponente der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 ausgebildet ist. Als weitere Komponenten der Ausführungsform des Systems 10 zeigt 1 einen Druckspeicher 12 und eine Strömungsmaschine 14, der eine Elektromaschine 16 zugeordnet ist. Außerdem ist hier vorgesehen, dass dem Druckspeicher 12 hier auch eine Kühlvorrichtung 18 zugeordnet ist. Weiterhin ist hier die Ventilanordnung 8 über eine erste Leitung 20 mit der Strömungsmaschine 14 verbunden. Die Strömungsmaschine 14 ist wiederum über eine zweite Leitung 22 mit dem Druckspeicher 12 verbunden.
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Bei Durchführung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der hier vorgestellten Ausführungsform des Systems 10 ist für das Fahrzeug ein definitionsgemäß normaler und/oder üblicher bzw. herkömmlicher Betrieb vorgesehen, bei dem sich die Ventilanordnung 8 in der ersten Ventilstellung A befindet, bei der die Ventilanordnung 8 hin zu der ersten Leitung 20 und somit auch hin zu den weiteren Komponenten des Systems 10 geschlossen ist, wohingegen ein Durchgang zwischen der Abgasanlage 2 und dem Endrohr 4 geöffnet ist. In diesem normalen Betrieb strömt Abgas ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine über die Abgasanlage 2 zu dem Endrohr 4 sowie nach außen in die Umgebung.
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Weiterhin ist im Rahmen des Verfahrens für das Fahrzeug und/oder das System 10 auch ein definitionsgemäß emissionsfreier Betrieb vorgesehen, der dann einzustellen ist, falls das Fahrzeug durch eine Gegend bzw. Umgebung fährt, in der wenig Abgas emittiert bzw. ausgestoßen werden sollte bzw. darf. In diesem Fall wird für die Ventilanordnung 8 die zweite Ventilstellung B eingestellt. Dabei wird ein Durchgang zwischen der Abgasanlage 2 und dem Endrohr 4 unterbrochen sowie ein Durchgang und somit eine Verbindung zu der Strömungsmaschine 14 geöffnet, wobei nun Abgas aus der Abgasanlage 2 durch die erste Leitung 20 zu der Strömungsmaschine 14 strömt.
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In diesem Fall ist zusätzlich vorgesehen, dass die Strömungsmaschine 14 aktiviert wird, wobei hierzu die der Strömungsmaschine 14 zugeordnete Elektromaschine 16 motorisch betrieben wird, wobei von der Elektromaschine 16 elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, wodurch die Strömungsmaschine 14 angetrieben wird. Dabei wird Abgas von der Strömungsmaschine 14 verdichtet und über die zweite Leitung 22 dem Druckspeicher 12 zugeführt und darin verdichtet bzw. komprimiert gespeichert. Hierbei ist ergänzend vorgesehen, dass das komprimierte Abgas von der Kühlvorrichtung 18 gekühlt wird und somit besser verdichtet gespeichert werden kann. Dabei kann das Fahrzeug so lange im emissionsfreien Betrieb betrieben werden, bis der Druckspeicher 12 vollständig mit Abgas gefüllt ist.
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Weiterhin ist bzw. sind für das Fahrzeug und/oder das System 10 ein definitionsgemäß entsorgender Betrieb vorgesehen, bei dem für die Ventilanordnung 8 die dritte Ventilstellung C eingestellt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Übergang zwischen der ersten Leitung 20 und dem Endrohr 4 geöffnet wird. Weiterhin kann in der dritten Ventilstellung C eine Verbindung zwischen der Abgasanlage 2 und dem Endrohr 4 durch die Ventilanordnung 8 unterbrochen oder geöffnet sein. Falls nun der entsorgende Betrieb vorgesehen sowie die dritte Ventilstellung C der Ventilanordnung 8 eingestellt ist, strömt Abgas, das zuvor während dem emissionsfreien Betrieb in dem Druckspeicher 12 gespeichert worden ist, über die zweite Leitung 22 hin zu der Strömungsmaschine 14, sowie weiterhin durch die erste Leitung 20, die Ventilanordnung 8 und das Endrohr 4 nach außen. Hierbei ist vorgesehen, dass Turbinen der Strömungsmaschine 14 durch das aus dem Druckspeicher 12 nach außen strömende Abgas angetrieben werden, wodurch wiederum die Elektromaschine 16 angetrieben sowie im generatorischen Betrieb betrieben wird, wobei mechanische Energie der durch das ausströmende Abgas angetriebenen Strömungsmaschine 14 durch die Elektromaschine 16 wieder in elektrische Energie umgewandelt wird.
