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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der
EP 1 070 837 A2 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Abgasturbolader auf, welcher wenigstens eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine und einen von der Turbine antreibbaren ersten Verdichter zum Verdichten von wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft umfasst. Außerdem ist ein elektrisch betreibbarer zweiter Verdichter vorgesehen, mittels welchem dem wenigstens einen Brennraum zuzuführende Luft parallel zu dem ersten Verdichter zu verdichten ist. Mit anderen Worten sind die Verdichter parallel zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet, sodass mittels der Verdichter parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichtet werden kann, die dem wenigstens einen, beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt sind die Verdichter parallel zueinander betreibbar und können somit parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichten und zu dem Brennraum fördern.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2014 206 552 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welchem in Ansprechen auf einen Pedaldruck des Fahrers eine Drosselklappe vorübergehend geöffnet wird, die in einem Ansaugströmungskanal stromab eines Kompressors eines Abgasturboladers angeordnet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine auf besonders effiziente Weise realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Leistung, insbesondere Nennleistung, der Verbrennungskraftmaschine auf besonders effiziente Weise realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Verdichter zumindest zweistufig ausgebildet ist und somit wenigstens zwei Verdichterstufen aufweist, welche beispielsweise seriell beziehungsweise in Reihe zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen kann hierdurch eine signifikante Steigerung der Leistung, insbesondere der Nennleistung, realisiert werden, insbesondere bei gleichbleibendem Zyklus-Realverbrauch, sodass der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
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Um besonders hohe Leistungen der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, wird der zweite Verdichter als sogenannter elektrischer Nennleistungskompressor genutzt, welcher, zumindest vorübergehend beziehungsweise bedarfsweise, parallel zu dem ersten Verdichter des Abgasturboladers betrieben wird, sodass die Verdichter parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichten und fördern können. Somit kann der wenigstens eine, beispielsweise als Zylinder ausgebildete Brennraum mit einer besonders hohen Luftmasse effizient versorgt werden, sodass besonders hohe Leistungen realisiert und der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Bei Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere bei Dieselmotoren besteht üblicherweise der Wunsch nach immer höheren Leistungen. Nicht nur die Nennleistung, sondern auch eine hohe transiente Leistungsfähigkeit ist dabei Teil dieses Wunsches. Aktuelle Konzepte setzen hierfür einen elektrisch unterstützten Verdichter ein, um beispielsweise einen sogenannten Low-End-Torque-Bereich, das heißt den unteren Drehmomentbereich zu verbessern und in der Folge des Abgasturbolader hin zu höheren Spitzenleistungen optimieren zu können. Diese Auslegungsweise birgt jedoch das Problem einer vergleichsweise hohen Belastung des elektrisch unterstützten Aggregats, da es in jedem transienten Vorgang zugeschaltet wird. Bei hochdynamischen Fahrzyklen werden dann die Batterien und in der Folge eine Boostleistung an ihre Grenzen kommen. Außerdem muss die Energiebilanz des elektrisch unterstützten Aggregats in die Zyklusauswertung miteinbezogen werden.
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Davon unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung signifikant. Der Low-End-Torque-Bereich wird durch die Verwendung des optimierten Abgasturboladers abgedeckt, da beispielsweise dessen Turbine beziehungsweise Turbinenrad mit nur geringen Massenträgheiten ausgestattet werden kann. Somit weist der Abgasturbolader ein sehr gutes transientes Verhalten auf. Bei Anforderung der Nennleistung wird der dann parallel zu dem Abgasturbolader beziehungsweise zu dem ersten Verdichter agierende, ein- oder vorzugsweise mehrstufige und somit zumindest zweistufige zweite Verdichter zugeschaltet. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass der zweite Verdichter einstufig ausgebildet ist und somit genau eine Verdichterstufe aufweist. Vorzugsweise ist der zweite Verdichter jedoch zwei- beziehungsweise mehrstufig ausgestaltet. Durch die erhöhte Luftmasse kann bei gleichbleibendem Kraftstoff-Luft-Verhältnis eine höhere Menge an Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden, woraus ein gesteigerter Drehmoment- und Leistungsverlauf resultiert.
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Die elektrische Energie zum Antreiben des elektrischen zweiten Verdichters kann über einen Riemenstartergenerator (RSG), einen integrierten Startergenerator (ISG) und/oder von wenigstens einer, beispielsweise von einer insbesondere als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle mechanisch antreibbaren Quelle bereitgestellt und dem als Aufladeaggregat fungierenden zweiten Verdichter, insbesondere direkt, zur Verfügung gestellt werden, sodass die zuvor beschriebene Batterieproblematik vermieden werden kann. Da die relevanten Zyklen ohne Volllastanteil gefahren werden, sind ein Zuschalten und ein Bilanzieren des zweiten Verdichters nicht erforderlich. Somit kann im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten ein geringerer Energieverbrauch realisiert werden, da im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten der zweite Verdichter nur bedarfsweise und nicht ständig zugeschaltet ist. Darüber hinaus kann ein komplexes Batteriesystem mit endlicher Kapazität vermieden werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter, welcher einstufig ausgebildet ist, wobei 1 der Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung dient; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter, welcher zumindest zweistufig ausgebildet ist.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Das Kraftfahrzeug ist dabei mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Zylindergehäuse 12 auf, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet sind. Insbesondere während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 werden die Zylinder 14 mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 und Luft versorgt, sodass im jeweiligen Zylinder 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aufgenommen ist. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert.
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Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 16 auf, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14 abgeführt wird.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst dabei wenigstens oder vorzugsweise genau einen Abgasturbolader 18, welcher auch als Turbolader bezeichnet wird. Der Abgasturbolader 18 weist eine in dem Abgastrakt 16 angeordnete und von dem Abgas antreibbare Turbine 20 und einen ersten Verdichter 22 auf, welcher von der Turbine 20 antreibbar und in einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 24 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Beispielsweise weist die Turbine 20 ein in den Fig. nicht erkennbares, von dem Abgas antreibbares Turbinenrad auf. Ferner weist der Verdichter 22 ein in den Fig. nicht erkennbares Verdichterrad auf. Der Abgasturbolader 18 umfasst dabei eine Welle 26, mit welcher das Turbinenrad und das Verdichterrad des Verdichters 22 drehfest verbunden sind. Dadurch ist das Verdichterrad des Verdichters 22 über die Welle 26 von dem Turbinenrad antreibbar.
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In 1 veranschaulichen Pfeile 28 die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft, welche mittels des Ansaugtrakts 24 zu den und insbesondere in die Zylinder 14 geleitet wird. Mittels des Verdichters 22 kann die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft verdichtet werden. Dieses Verdichten der Luft wird auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet. Dadurch, dass zum Verdichten der Luft der Verdichter 22 von der Turbine 20 angetrieben wird und die Turbine 20 von dem Abgas antreibbar ist, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner einen in dem Ansaugtrakt 24 angeordneten, elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter 30 auf, mittels welchem den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft parallel zu dem ersten Verdichter 22 zu verdichten ist. Dies bedeutet, dass die Verdichter 22 und 30 parallel zueinander angeordnet beziehungsweise geschaltet sind. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt können die Verdichter 22 und 30 parallel zueinander betrieben werden, sodass die Verdichter 22 und 30 parallel beziehungsweise gleichzeitig die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft verdichten und zu den Zylindern 14 fördern.
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Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 24 stromab der Verdichter 22 und 30 ein von der verdichteten Luft durchströmbarer Ladeluftkühler 32 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.
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Gemäß 1 ist der elektrische betreibbare Verdichter 22 einstufig ausgebildet und weist somit genau eine Verdichterstufe auf, auf beziehungsweise mittels welcher die Luft verdichtet wird. Aus 1 ist erkennbar, dass die mittels des Verdichters 22 verdichtete Luft mittels eines ersten Leitungselements 34 des Ansaugtrakts 24 von dem Verdichter 22 abgeführt wird und das erste Leitungselement 34 durchströmen kann. Dementsprechend wird die mittels des Verdichters 30 verdichtete Luft mittels eines zweiten Leitungselements 36 des Ansaugtrakts 24 von dem zweiten Verdichter 30 abgeführt, sodass die mittels des zweiten Verdichters 30 verdichtete Luft durch das Leitungselement 36 strömen kann. Die Leitungselemente 34 und 36 sind dabei an einer Verbindungsstelle V fluidisch miteinander verbunden beziehungsweise zusammengeführt und münden an der Verbindungsstelle V in ein den Leitungselementen 34 und 36 gemeinsames drittes Leitungselement 38 des Ansaugtrakts 24. Mittels des Leitungselements 38, in welchem der Ladeluftkühler 32 angeordnet ist, wird die dann verdichtete Luft zu den Zylindern 14 geführt.
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Dabei ist ein beispielsweise in dem Leitungselement 36 und insbesondere stromauf der Verbindungsstelle V angeordnetes Ventilelement 40 vorgesehen, mittels welchem beispielsweise das Leitungselement 36 und somit der zweite Verdichter 30 fluidisch von der Verbindungsstelle V beziehungsweise von dem Leitungselement 34 und/oder von dem Leitungselement 38 getrennt werden kann. Dadurch kann beispielsweise in Betriebsphasen, in welchen der Verdichter 30 deaktiviert ist und somit Luft nicht verdichtet, vermieden werden, dass die mittels des Verdichters 22 verdichtete Luft aus dem Leitungselement 34 in das Leitungselement 36 einströmt und somit zu dem Verdichter 30 strömt. Mit anderen Worten kann mittels des Ventilelements 40 eine unerwünschte Strömung der mittels des Verdichters 22 verdichteten Luft vermieden werden.
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2 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 42 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen, wobei das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 42 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 42 unterscheidet sich insbesondere dadurch von der Verbrennungskraftmaschine 10, dass der zweite Verdichter 30 mehrstufig ausgebildet ist. Bei dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der zweite Verdichter 30 genau zweistufig ausgebildet und umfasst somit genau zwei Verdichterstufen 44 und 46, mittels welchen die Luft jeweils verdichtet werden kann. Dabei sind die Verdichterstufen 44 und 46 seriell beziehungsweise in Reihe zueinander geschaltet, wobei die zweite Verdichterstufe 46 in Strömungsrichtung der den Verdichter 30 durchströmenden Luft stromab der ersten Verdichterstufe 44 angeordnet ist. Somit wird während eines Betriebs des Verdichters 30 die Luft zunächst mittels der ersten Verdichterstufe 44 auf einen ersten Druck verdichtet. Daran anschließend wird die den ersten Druck aufweisende Luft mittels der zweiten Verdichterstufe 46 auf einen gegenüber dem ersten Druck größeren zweiten Druck verdichtet.
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Beispielsweise weist die Verdichterstufe 44 ein erstes Verdichterrad auf, welches beispielsweise auch bei dem zweiten Verdichter 30 gemäß 1 zum Einsatz kommt. Mittels des ersten Verdichters wird die Luft, insbesondere auf den ersten Druck, verdichtet. Ferner weist die zweite Verdichterstufe 46 ein zweites Verdichterrad auf, mittels welchem die Luft, insbesondere auf den zweiten Druck, verdichtet wird. Dabei umfasst der zweite Verdichter 30 gemäß 2 eine den Verdichterrädern gemeinsame Welle 48, mit welcher das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad drehfest verbunden sind. Außerdem weist der elektrisch betreibbare beziehungsweise antreibbare oder angetriebene Verdichter 30 einen in 1 und 2 besonders schematisch dargestellten Elektromotor 50 auf, mittels welchem die Welle 48 und über diese die Verdichterräder des Verdichters 30 elektrisch antreibbar sind.
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Der zweite Verdichter 30 wird auch als Kompressor oder Nennleistungskompressor, insbesondere als elektrischer Nennleistungskompressor (eNK), bezeichnet, da mittels des zusätzlich zu dem Verdichter 22 vorgesehenen Verdichters 30 besonders hohe Leistungen der Verbrennungskraftmaschine 10 auf effiziente Weise realisiert werden können. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders im Zyklus und Realbetrieb gering gehalten werden.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine in den Fig. nicht erkennbare und beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle auf. Dabei ist vorzugsweise wenigstens ein Generator 52 vorgesehen, welcher von der Abtriebswelle mechanisch antreibbar ist. Mittels des Generators 52 wird infolge seines mechanischen Antreibens elektrische Energie bereitgestellt, mit welcher der zweite Verdichter 30, insbesondere der Elektromotor 50, direkt versorgt wird. Hierzu ist wenigstens eine Leitung 54 vorgesehen, über welche die von dem Generator 52 bereitgestellte elektrische Leistung direkt, das heißt ohne Vermittlung einer Batterie oder eines anderen Energiespeichers, zu dem Verdichter 30, insbesondere zu dem Elektromotor 50, geführt wird. Dabei stellt beispielsweise der Generator 52 eine elektrische Spannung bereit, mittels welcher der zweite Verdichter 30, insbesondere der Elektromotor 50, betrieben wird. Vorzugsweise beträgt diese elektrische Spannung 48 Volt.
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Der Verdichter 30 weist beispielsweise eine in den Fig. nicht erkennbare und beispielsweise dem Elektromotor 50 zugeordnete Leistungselektronik auf, mittels welcher der Elektromotor 50 betrieben wird beziehungsweise über welche der Elektromotor 50 mit der elektrischen Energie versorgt wird.
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Insgesamt ist erkennbar, dass beispielsweise bei hoher Lastanforderung der elektrisch angetriebene Verdichter 30 zu dem Verdichter 22 zugeschaltet wird, sodass dann die Verdichter 22 und 30 parallel agieren. Hierdurch kann eine besonders hohe Nennleistung der beispielsweise als Dieselmotor, insbesondere als Turbodieselmotor, ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert werden. Gleichzeitig können negative Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 vermieden werden. Die elektrische Energie zum Betrieb des als elektrisch angetriebenen Aufladeaggregat ausgebildeten Verdichters 30 wird mittels des Generators 52 an der Abtriebswelle entnommen.
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Im Folgenden wird eine mögliche Funktionsweise der Verbrennungskraftmaschine 10 beschrieben: Im üblichen Fahrbetrieb ist der Verdichter 30 ausgeschaltet, sodass die Luftversorgung der Zylinder 14 mittels des konventionellen Abgasturboladers 18 realisiert wird. Findet beispielsweise über ein durch den Fahrer betätigtes Fahrpedal des Kraftfahrzeugs eine Anforderung der Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine 10 statt, so wird ab einer bestimmten Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere der Abtriebswelle, der Verdichter 30 aktiviert, und das beispielsweise zunächst geschlossene Ventilelement 40 wird geöffnet. Dann fördern der Verdichter 22 und der Verdichter 30 parallel die Luft in die Zylinder 14. Die Leistung beziehungsweise elektrische Energie zum Betrieb des Verdichters 30 wird über den Generator 52 an der Abtriebswelle abgegriffen. Durch thermodynamische Prozesse wird die an der Abtriebswelle abgegriffene Leistung zum Betreiben des Verdichters überkompensiert, sodass im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen eine signifikante Steigerung der Leistungsabgabe an einen übrigen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zu verzeichnen ist. Insbesondere können im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine folgende Vorteile realisiert werden:
- - signifikante Steigerung der Nennleistung bei gleichbleibendem Kraftstoffverbrauch, sowohl im Realbetrieb als auch in vorgegebenen Zyklen
- - geringe Belastung des Verdichters 30, da dieser nur selten beziehungsweise bedarfsgerecht zum Einsatz kommt
- - flexibles Packaging, da der Verdichter 30 nicht zwangsläufig direkt am Zylindergehäuse 12 platziert werden muss
- - sehr gute Notlaufeigenschaften bei etwaigem Ausfall des Verdichters 30.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Zylindergehäuse
- 14
- Zylinder
- 16
- Abgastrakt
- 18
- Abgasturbolader
- 20
- Turbine
- 22
- Verdichter
- 24
- Ansaugtrakt
- 26
- Welle
- 28
- Pfeil
- 30
- Verdichter
- 32
- Ladeluftkühler
- 34
- Leitungselement
- 36
- Leitungselement
- 38
- Leitungselement
- 40
- Ventilelement
- 42
- Verbrennungskraftmaschine
- 44
- erste Verdichterstufe
- 46
- zweite Verdichterstufe
- 48
- Welle
- 50
- Elektromotor
- 52
- Generator
- 54
- Leitung
- V
- Verbindungsstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1070837 A2 [0002]
- DE 102014206552 A1 [0003]
