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Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Verbrennungsmotoren mit Motoraufladung, insbesondere einen im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Kompensator zur Verringerung von Druckpulsationen.
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Die Publikation
DE 10 2004 057 413 A1 beschreibt einen Schalldämpfer für eine Brennkraftmaschine. In der Publikation
DE 698 10 858 T2 wird ein Einlassgeräuschdämpfer für einen Motor beschrieben. Die Publikation
DE 10 2005 030 850 A1 beschreibt ein Kurbelgehäuse mit Bodenplatte für eine Brennkraftmaschine mit einem am Zylinderblock montierten Ladeluftkühler.
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In einigen Anwendungen wie z.B. Stromaggregaten (Gensets) können bei Verbrennungsmotoren mit Motoraufladung wassergekühlte Ladeluftkühler (Intercooler) zum Einsatz kommen. Um eine kompakte Bauweise zu erreichen, kann der Ladeluftkühler direkt am Motorblock angeordnet werden, wodurch der Luftweg (die Länge der Ladeluftleitung) zwischen Ladeluftkühler und Ansaugkrümmer vergleichsweise kurz wird.
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Im Automobilbereich kommen in der Regel luftgekühlte Ladeluftkühler zum Einsatz, welche im Motorraum relativ weit vorne angeordnet sind, um eine Kühlung durch den Fahrtwind zu ermöglichen. Eine derartige Konstruktion hat deutlich längere Ladeluftleitungen zur Folge. Nichtsdestotrotz, versucht man in der Regel die Länge der Luftleitungen (und damit das darin enthaltene Luftvolumen) zwischen Ladeluftkühler und Einspritzventil eher kurz zu halten, um das Ansprechverhalten des Motor bei Lastwechseln zu verbessern. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass bei sehr kurzen Luftleitungslängen (und daher kleinem Luftvolumen) zwischen Ladeluftkühler und Ansaugkrümmer (wie dies bei am Motorblock montiertem Ladeluftkühler der Fall ist) die Volllastkennlinie schlechter sein kann, als bei größeren Luftvolumina.
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Die Erfinder haben sich zur Aufgabe gemacht, bei Verbrennungsmotoren mit am Motorblock montiertem Ladeluftkühler die Volllastkennlinie unter Beibehaltung der zu erfüllenden Emissionswerte zu verbessern.
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Die oben genannte Aufgabe wird durch den Kompensator gemäß Anspruch 1, der in einer Ladeluftstrecke eines Verbrennungsmotors mit Motoraufladung angeordnet werden kann, sowie durch den Verbrennungsmotor mit Motoraufladung gemäß Anspruch 9 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird ein Kompensator zur Anordnung in einer Ladeluftstrecke eines Verbrennungsmotors mit Motoraufladung beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Kompensator ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse angeordneten Luftkanal und ein in dem Gehäuse angeordnetes Luftplenum auf. Der Luftkanal verläuft zumindest teilweise außen um das Luftplenum herum, das durch den Luftkanal und das Gehäuse begrenzt wird. Eine oder mehrere Öffnungen verbinden den Luftkanal mit dem Luftplenum.
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Des Weiteren wird ein Verbrennungsmotor mit Motoraufladung beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Motor einen Zylinderblock, mindestens einen Ansaugkrümmer und einen am Zylinderblock montierten Ladeluftkühler auf. Zwischen Ladeluftkühler und Ansaugkrümmer ist ein Kompensator angeordnet. Dieser weist ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse angeordneten Luftkanal und ein in dem Gehäuse angeordnetes Luftplenum auf. Der Luftkanal verläuft zumindest teilweise außen um das Luftplenum herum, das durch den Luftkanal und das Gehäuse begrenzt wird. Eine oder mehrere Öffnungen verbinden den Luftkanal mit dem Luftplenum.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
- 1 zeigt anhand einer schematischen Skizze ein Beispiel eines Verbrennungsmotors mit Motoraufladung mittels eines Abgasturboladers.
- 2 zeigt schematisch ein Beispiel eines Verbrennungsmotors mit Motoraufladung, wobei zwischen Ladeluftkühler und Ansaugstutzen ein Kompensator angeordnet ist.
- 3 illustriert ein Beispiel des Kompensators aus 2 anhand einer Schnittzeichnung.
- 4 illustriert ein weiteres Beispiel des Kompensators aus 2 anhand einer Schnittzeichnung.
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1 zeigt anhand einer schematischen Skizze ein Beispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit Motoraufladung, welche mit Hilfe eines Abgasturboladers bewerkstelligt wird. Das Prinzip der Motoraufladung ist an sich seit langem bekannt und wird hier nur kurz zusammengefasst. Ganz allgemein bezeichnet Motoraufladung eine Methode, bei dem die Leistung oder die Effizienz eines Verbrennungsmotors durch Zuführen von Luft mit erhöhtem Druck gesteigert wird. Durch den höheren Druck der Luft wird der Füllungsgrad im Zylinder verbessert, so dass mehr Luft für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht, was die pro Arbeitstakt geleistete Arbeit erhöht. Der Druck der vom Motor angesaugten Luft kann beispielsweise durch Gebläse, Turbolader und Kompressoren erhöht werden, die allgemein als Verdichter bezeichnet werden.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel wird ein Verdichterrad 11 durch eine Abgasturbine 11' angetrieben. Die Kombination von Abgasturbine 11' und Verdichterrad 11 wird üblicherweise als Abgasturbolader (allgemein Verdichter) bezeichnet. Demnach wird die Abgasturbine 11' von einem Abgasstrom 31 angetrieben (Austritt des Abgases aus der Turbine am Abgasaustritt 32), und die Abgasturbine 11' treibt das Verdichterrad 11 an, der die am Lufteintritt 21 angesaugte Luft komprimiert. Der verdichtete Luftstrom 22 verlässt das Verdichterrad 11 über die Luftleitung L1, über die der verdichtete Luftstrom 22 dem Ladeluftkühler 12 zugeführt wird. Alternativ kann statt eines Abgasturboladers ein z.B. Kompressor eingesetzt werden.
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Ein Ladeluftkühler 12 (Intercooler) ist ein Wärmeübertrager, der im Ansaugtrakt eines aufgeladenen Verbrennungsmotors die Temperatur der dem Motor 10 zugeführten Luft verringert. Zweck des Ladeluftkühlers 12 ist die Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad des Motors 10. Durch die Verringerung der Temperatur der zugeführten Luft ist im gleichen Volumen eine größere Luftmasse enthalten, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Der Ladeluftkühler 12 erhöht somit die mögliche Abgabeleistung. Der gekühlte verdichtete Luftstrom 23 verlässt den Ladeluftkühler 12 über die Luftleitung L2, welche in den Ansaugkrümmer 13 (auch Ansaugstutzen) mündet, der direkt am Motorblock montiert ist. Der bei der Verbrennung im Motor 10 entstehende Abgasstrom 31 verlässt den Motor über den Abgaskrümmer. Zumindest ein Teil des Abgasstroms 31 treibt wie oben beschrieben die Abgasturbine 11' des Abgasturboladers an.
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Im Automobilbereich kommen in der Regel luftgekühlte Ladeluftkühler zum Einsatz, welche durch den Fahrtwind gekühlt werden. Bei stationären Motoren in kompakter Bauweise kann der Ladeluftkühler 12 wassergekühlt und direkt am Zylinderblock (bzw. Motorblock) des Motors montiert sein. Bei Motoren mit am Motorblock angeordneten Ladeluftkühler 12 ist die Länge der Luftleitung L2 zwischen Ladeluftkühler 12 und Ansaugkrümmer 13 vergleichsweise kurz, was für das Ansprechverhalten des Motors bei Lastwechseln positiv sein kann. Experimente haben allerdings gezeigt, dass bei sehr kurzen (z.B. kleiner 10 cm) Luftleitungslängen (und daher kleinem Luftvolumen) zwischen Ladeluftkühler 12 und Ansaugkrümmer 13 die Volllastkennlinie schlechter sein kann, als bei größeren Luftleitungslängen (Luftvolumina). Messungen haben gezeigt, dass im unteren Drehzahlbereich Druckpulsationen (Zylinderdruckeinbrüche) auftreten können, was die erzielbare Volllastkennlinie verschlechtert. Bei Experimenten war die Luftleitungslänge zwischen Ladeluftkühlerauslass und Ansaugkrümmereinlass ca. 50 mm. Die erwähnten Druckpulsationen verhindern eine homogene Befüllung der Zylinder und haben wiederum eine suboptimale Verbrennung zur Folge.
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2 zeigt schematisch ein Beispiel eines Verbrennungskraftmotors mit Motoraufladung, wobei zwischen Ladeluftkühler 12 (wassergekühlt und am Zylinderblock montiert) und Ansaugkrümmer 13 ein Kompensator 14 angeordnet ist, welcher ein zusätzliches Luftvolumen (Luftplenum, air plenum) bereitstellt. Abgesehen von der kürzeren Luftleitung L2 und dem Kompensator 14 ist das Beispiel aus 2 gleich wie das vorherige Beispiel aus 1, und es wird auf die zugehörige Beschreibung weiter oben verwiesen. Der Ansaugkrümmer 13 (Ansaugstutzen) kann direkt (ohne zwischenliegende Luftleitung) mit einem Luftauslass des Kompensators 14 verbunden sein. Auch die Leitung L2 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel komplett weggelassen werden, und der Lufteinlass des Kompensators 14 ist direkt mit einem Auslass des Ladeluftkühlers 12 verbunden. Das von dem Kompensator bereitgestellte zusätzliche Luftvolumen ermöglicht es, die erwähnen Druckpulsationen zu verhindern und die Volllastkennlinie zu verbessern.
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3 zeigt anhand einer Schnittzeichnung eine exemplarische Ausführungsformdes Kompensators 14 aus 2 und dessen inneren Aufbau. Der Kompensator 14 kann ein Gussgehäuse 140 aufweisen, welches beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung (z.B. AlSi8Cu3) gefertigt sein kann. Im Inneren des Gehäuses 140 führt ein Luftkanal 141 von einem Lufteinlass 144 zu einem Luftauslass 145. Der Verlauf des Luftkanals 141 ist in 3 durch die strichlierte Linie vom Einlass 144 zum Auslass 145 skizziert. Wie erwähnt können der Lufteinlass 144 mit dem Auslass eines Ladeluftkühlers und der Luftauslass 145 mit dem Einlass eines Ansaugkrümmers verbunden sein. Der Kompensator 14 beinhaltet ein Luftplenum 150, um das der Luftkanal 141 zumindest teilweise herum verläuft. Das Luftplenum 150 ist ein Hohlraum, der einerseits von der Wand des Gehäuses 140 und andererseits von der Wand des Luftkanals 141 begrenzt wird. In dem dargestellten Beispiel ist der Luftkanal 141 so durch das Gehäuse 140 geführt, dass Einlass 144 und Auslass 145 des Luftkanals 141 auf derselben Seite des Gehäuses 140 (d.h. auf derselben Seite des Luftplenums 150, rechts im Beispiel gemäß 3) angeordnet sind.
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Das Luftplenum 150 (d.h. der zentrale Hohlraum) ist mit dem Luftkanal 141 über eine oder mehrere Öffnungen 148 verbunden. Das heißt durch die Öffnungen 148 ist ein Luftaustausch zwischen Luftkanal 141 und Luftplenum 150 möglich. Die in 3 dargestellten Öffnungen 148 sind auch durch die Doppelpfeile skizziert und durch Trennbleche (Separatoren) verschlossen. Obwohl in 3 alle Öffnungen 148 durch Trennbleche 147 verschlossen sind, versteht sich, dass im Betrieb zumindest eines der Trennbleche 147 entfernt sein muss, sodass das Luftplenum 150 mit dem Luftkanal 141 in Verbindung steht und seine Wirkung entfalten kann. In einem Ausführungsbeispiele sind alle Öffnungen 148 offen (d.h. alle Trennbleche 147 sind entfernt), sodass der Luftkanal 141 an drei Positionen mit dem Luftplenum in Verbindung steht.
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Das Luftplenum 150 kann mittels einer oder mehrerer Trennbleche 146 in mehrere Teilluftvolumina unterteilt sein. Im dargestellten Beispiel separieren zwei Trennbleche 146 das Luftplenum 150 in drei Teilvolumina, von denen jedes über eine Öffnung 148 mit dem Luftkanal 141 in Verbindung stehen kann (wenn die Trennbleche 147 aus den Öffnungen 148 entfernt werden). Für einen konkreten Verbrennungsmotor ist natürlich kein Kompensator mit flexibel entfernbaren Trennblechen 147 und 148 nötig. Die Trennbleche können auch Teil des Gehäuses 140 sein und beim Gießen des Gehäuses 140 hergestellt werden. In dem in 3 dargestellten Beispiel, umfasst das Gehäuse 140 zwei Halbschalen, die beispielsweise miteinander verschraubt sein können.
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4 zeigt anhand einer Schnittzeichnung eine weitere exemplarische Ausführungsform des Kompensators 14 aus 2 und dessen inneren Aufbau. Der Kompensator 14 ist ähnlich konstruiert wie im vorherigen Beispiel, jedoch besteht das Gehäuse nicht aus zwei Halbschalen, sondern aus mehreren Gehäuseteilen, die mittels Schraubverbindungen zu dem Gehäuse verbunden sind. Die einzelnen Teile können beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung (z.B. AlSi8Cu3) gefertigt sein kann. Wie im vorherigen Beispiel führt im Inneren des Gehäuses 140 ein Luftkanal 141 von einem Lufteinlass 144 zu einem Luftauslass 145. Der Verlauf des Luftkanals 141 ist in 4 durch die strichlierte Linie vom Einlass 144 zum Auslass 145 skizziert. Der Kompensator 14 beinhaltet ein Luftplenum 150, um das der Luftkanal 141 zumindest teilweise herum verläuft.
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Wie im vorherigen Beispiel ist das Luftplenum 150 ein Hohlraum, der einerseits von der Wand des Gehäuses 140 und andererseits von der Wand des Luftkanals 141 begrenzt wird. Anders als in 3 ist das Luftplenum 150 jedoch nur an zwei Stellen mit dem Luftkanal 141 über Öffnungen 148 verbunden. Ähnlich wie in 3 kann auch im vorliegenden Beispiel das Luftplanum durch Trennblech in zwei Teilvolumina geteilt werden, wobei jedes Teilvolumen über jeweils eine der Öffnungen 148 mit dem Luftkanal 141 verbunden ist. Werden zwei Trennbleche eingesetzt würde im vorliegenden Beispiel das insgesamt verfügbare (d.h. mit dem Luftkanal 141 in Verbindung stehende) Luftvolumen im Luftplenum reduziert. In manchen Ausführungsbeispielen können die Trennbleche 146 auch ganz weggelassen werden.
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In den in 3 und 4 dargestellten Beispielen sind die Öffnungen 148, die einen Luftaustausch zwischen Luftplanum 150 und Luftkanal 141 ermöglichen, an unterschiedlichen Seiten des Luftplenums 150 angeordnet. Beispielsweise sind bei dem Kompensator in 4 die Öffnungen 148 in zwei gegenüberliegenden Wandungen des Luftplenums angeordnet (d.h. die beiden Öffnungen liegen im Wesentlichen in zwei parallelen Ebenen). In den Beispiel in 3 ist zusätzlich eine dritte Öffnung in einer dritten Seitenwand des Luftplenums 150 (linke Seite des Luftplanums in 3) angeordnet. Diese dritte Öffnung 148 liegt in einer Ebene die in Bezug auf die Ebenen, in denen die anderen beiden Öffnungen (oben und unten in 3 oder 4) angeordnet sind, um 90 Grad gedreht.
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Die Öffnungen 148 können eine ähnliche Abmessung haben wie die Querschnittsfläche des Luftkanals 141. Beispielsweise liegt die für den Luftaustausch durch die Öffnungen 148 zur Verfügung stehende Fläche im Bereich zwischen 50% und 150% der Querschnittsfläche des Luftkanals 141. Das in dem Luftplenum 150 verfügbare Volumen (d.h. jenes Volumen, welches mit dem Luftkanal 141 in Verbindung steht) kann für gängige Motoren im Bereich von 0,5 bis 3 Liter liegen (je nach Motor sind jedoch auch andere Werte möglich). Die tatsächliche Größe des verfügbaren Luftvolumens im Luftplenum, die Anzahl und die Größe der Öffnungen 148 sowie Position und Dimensionierung eventuell im Luftkanal 141 vorhandener Drosseln 149 wird in der Regel am Motorprüfstand an einen bestimmten Motor angepasst. Die in 3 und 4 dargestellte Drossel 149 kann durch eine beliebige Querschnittsverengung im Luftkanal 141 (was eine entsprechende Verengung der Querschnittsfläche der Strömung zur Folge hat) realisiert werden. Eine Drossel kann auch durch eine im Luftkanal angeordnete Drosselklappe realisiert werden.
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Wie erwähnt kann das Gehäuse 140 aus mehreren Teilen bestehen, welche mittels Aluminiumguss gefertigt werden. Alternativ können die Gehäuseteile auch aus Blech durch Tiefziehen oder aus Kunststoff mittels Spritzgießen hergestellt werden. Die Verwendung des Kompensators ermöglicht ein kompaktes Motorpackage und ermöglicht es, auf lange Ladeluftleitungen (vgl. Leitung L1 und L2 in 1) zu verzichten. Der Kompensator kann in sehr kurzem Abstand (d.h. wenige Millimeter, z.B. 15 mm) hinter dem Ladeluftkühler positioniert werden und direkt auf den Ansaugkrümmer geschraubt werden. Durch die Verwendung eines wassergekühlten Ladeluftkühlers zusammen mit dem Kompensator ist man nicht auf den Fahrtwind zur Kühlung angewiesen, was bei stationär betriebenen Motoren Vorteile haben kann. Wie in 3 und 4 dargestellt, verläuft der Luftkanal 141 fast vollständig außen um das zentrale Luftplenum 150 herum, was eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht. Beispielsweise umschließt der Luftkanal 141 mindestens 50% oder mindestens 70% des Umfangs des Luftplenums 150. In manchen Anwendungen kann dadurch gänzlich auf Ladeluftleitungen verzichtet werden kann. Entfernbare Trennbleche 146, 147 sind in der Serienproduktion nicht nötig und können direkt bei der Herstellung der Gehäuseteile (z.B. durch eine geeignete Gussform) berücksichtigt werden.
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Im Folgenden werden einige wichtige Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zusammengefast. Es sei erwähnt dass es sich dabei nicht um eine vollständige, sondern lediglich exemplarische Aufzählung handelt. Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Kompensator 14 zur Anordnung in einer Ladeluftstrecke eines Verbrennungsmotors mit Motoraufladung (vgl. 3 und 4). Der Kompensator weist ein Gehäuse 140, einen in dem Gehäuse 140 angeordneten Luftkanal 141 sowie ein in dem Gehäuse (140) angeordnetes Luftplenum 150 auf. Der Luftkanal 141 verläuft zumindest teilweise außen um das Luftplenum 150 herum, wobei dieses zumindest teilweise durch den Luftkanal 141 und das Gehäuse 140 begrenzt wird. Der Kompensator umfasst des Weiteren eine oder mehrere Öffnungen 148, welche den Luftkanal 141 und das Luftplenum 150 miteinander verbinden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Kompensator zumindest zwei Öffnungen 148 auf, die den Luftkanal 141 und das Luftplenum 150 miteinander verbinden. Die Öffnungen 148 können dabei an unterschiedlichen Seiten des Luftplenums 150 angeordnet sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können zwei der Öffnungen 148 an gegenüberliegenden Seiten des Luftplenums 150 angeordnet sein. Die Wand Luftkanals 141 begrenzt zumindest teilweise auch das Luftplenum 150. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen verläuft der Luftkanal 141 zumindest entlang von drei Seiten des Luftplenums 150 entlang seines Umfangs (und je nach Konstruktion auch teilweise entlang der vierten Seite). in einem anderen Ausführungsbeispiel umschließt der Luftkanal zumindest 50% eines Umfangs des Luftplenums 150. Der Luftkanal 141 kann eine oder mehrere Drosseln 149 aufweisen.
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Das Luftplenum 150 kann mindestens zwei Teilvolumina aufweisen, die mittels eines Separators (vgl. 3, Trennblech 147) voneinander getrennt sind. Zwischen jedem der mindestens zwei Teilvolumina des Luftplenums 150 und dem Luftkanal 141 kann ein Luftaustausch über jeweils eine (separate) Öffnung erfolgen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft einen Verbrennungsmotor 10 mit Motoraufladung (vgl. 2 bis 4). Der Verbrennungsmotor umfasst einen Zylinderblock, mindestens einen Ansaugkrümmer 13, einen am Zylinderblock montierten Ladeluftkühler 12 sowie einen Kompensator 14, der zwischen Ladeluftkühler 12 und Ansaugkrümmer 13 angeordnet ist. Der Kompensator kann gemäß einem der hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgestaltet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Ladeluftkühler wassergekühlt. Ein Auslass 145 des Kompensators 13 kann direkt mit einem Einlass des Ansaugkrümmers verbunden sein. In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Ladeluftkühler 12 und einem Einlass 144 des Kompensators 14 keine oder eine nur kurze Ladeluftleitung von weniger als 100 mm Länge angeordnet.
