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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Verbrennungsmotorsysteme. Insbesondere betrifft diese Offenbarung Abgasrückführungssysteme von zusammengesetzten, turbogeladenen Verbrennungsmotorsystemen.
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Stand der Technik
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Ein Verbrennungsmotorsystem kann ein zusammengesetztes, Turboladersystem beinhalten. Ein zusammengesetztes Turboladersystem beinhaltet ein Paar Turbolader, die mit einem Paar Turbinen, die fluidisch in Reihe verbunden sind, und einem Paar Kompressoren, die fluidisch in Reihe verbunden sind, angeordnet sind. Jede Turbine ist mit einem Kompressor mechanisch gekoppelt, um die Kompressoren mit Motorabgas anzutreiben. Die Kompressoren setzen wiederum die Motoransaugluft unter Druck, die von den Motorzylindern geliefert wird.
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Ein solches Motorsystem kann außerdem ein Abgasrückführungssystem (AGR) beinhalten, um die Kontrolle der Erzeugung unerwünschter Schadgase und Partikel zu unterstützen. AGR-Systeme führen einen Teil des Motorabgases in die ankommende Motoransaugluft zurück und verringern dadurch die Sauerstoffkonzentration in den Zylindern, was wiederum die Spitzenwerte bei den Zylinderverbrennungstemperaturen und der Abgastemperatur senkt. Demgemäß verringern AGR-Systeme die Bildung bestimmter Schadstoffe, z. B. Stickoxide (NOx), die im Allgemeinen bei höheren Verbrennungstemperaturen erzeugt werden. Darüber hinaus fördert die Rückführung der Abgase die Verbrennung nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen, was die Motoremissionen weiter verringert. Die Bereitstellung von AGR verringert jedoch die Effizienz des Motors.
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Ein Beispiel eines Motorsystems mit einem AGR-System ist in
US-Pat. Nr. 9,051,903 zu finden, das ein AGR-System offenbart, das Abgas von ein oder zwei Abgaskrümmern in den Ansaugkrümmer zurückführt. Während das durch das
'903 Patent beschriebene AGR-System vorteilhaft sein kann, kann die Effizienz eines solchen Motorsystems verbessert werden.
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Das Motorsystem der vorliegenden Offenbarung kann eines oder mehrere der vorstehend aufgeführten Probleme und/oder andere Probleme des Standes der Technik lösen. Der aktuelle Umfang der Offenbarung wird jedoch durch die beigefügten Ansprüche definiert, und nicht durch die Fähigkeit, irgendein spezifisches Problem zu lösen.
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Kurzdarstellung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Motorsystem einen Motor, der eine Vielzahl von Motorzylindern, einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer beinhaltet; und ein zusammengesetztes Turboladersystem mit einer ersten Turbine, die einen ersten Kompressor antreibt, und einer zweiten Turbine, die einen zweiten Kompressor antreibt. Das Motorsystem beinhaltet ferner eine Ansaugleitung, die den ersten Kompressor, den zweiten Kompressor und den mindestens einen Ansaugkrümmer beinhaltet; und eine Abgasleitung, die den Abgaskrümmer, die zweite Turbine und die erste Turbine beinhaltet. Das Motorsystem beinhaltet außerdem eine Abgasdrosselklappe, die sich im Abgaskrümmer des Motors einer Teilmenge der Vielzahl von Motorzylindern nachgeordnet befindet, und eine Abgasrückführungsleitung mit einem vorgeordneten Ende, das sich so befindet, dass es Abgas von einer Teilmenge der Vielzahl von Motorzylindern empfängt, und ein nachgeordnetes Ende, das mit der Ansaugleitung dem ersten Kompressor nachgeordnet und dem zweiten Kompressor vorgeordnet befindet.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Motorsystem einen fremdgezündeten, mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor, der mindestens zehn Motorzylinder, einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer beinhaltet; und ein zusammengesetztes Turboladersystem mit einer ersten Turbine, die einen ersten Kompressor antreibt, und einer zweiten Turbine, die einen zweiten Kompressor antreibt. Das Motorsystem beinhaltet ferner eine Ansaugleitung, die den ersten Kompressor, den zweiten Kompressor und den mindestens einen Ansaugkrümmer beinhaltet; und eine Abgasleitung, die den Abgaskrümmer, die zweite Turbine und die erste Turbine beinhaltet. Das Motorsystem beinhaltet außerdem eine Abgasdrosselklappe, die sich im Abgaskrümmer des Motors einer Teilmenge der Vielzahl von Motorzylindern nachgeordnet befindet, wobei die Teilmenge mindestens 25 % einer Gesamtzahl der Vielzahl von Motorzylindern des Motors beinhaltet; und eine Abgasrückführungsleitung mit einem vorgeordneten Ende, das sich so befindet, dass es Abgas von einer Teilmenge der Vielzahl von Motorzylindern empfängt, und ein nachgeordnetes Ende, das mit der Ansaugleitung dem ersten Kompressor nachgeordnet und dem zweiten Kompressor vorgeordnet befindet.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Motorsystem mit einem Motor, einem zusammengesetzten Turboladersystem, einer Ansaugleistung, einer Abgasleistung und einer Abgasrückführungsleitung ein Verfahren, das die Lieferung eines Ansaugfluids durch die Ansaugleitung beinhaltet, die einen ersten Kompressor und einen zweiten Kompressor des zusammengesetzten Turboladersystems beinhaltet, und zu einer Vielzahl von Motorzylindern und Verbrennen des Ansaugfluids in der Vielzahl von Motorzylindern. Das Verfahren beinhaltet ferner das Leiten des Abgases von den Zylindern durch die Abgasleistung, die eine zweite Turbine und eine erste Turbine des zusammengesetzten Turboladersystems beinhaltet; und das selektive Weiterleiten des Abgases von einer Teilmenge der Vielzahl von Zylindern durch die Abgasrückführungsleitung zur Ansaugleistung an einem Ort dem ersten Kompressor nachgeordnet und dem zweiten Kompressor vorgeordnet.
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Figurenliste
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Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Spezifikation einbezogen sind und einen Teil dieser Spezifikation darstellen, veranschaulichen verschiedene exemplarische Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der offenbarten Ausführungsformen.
- 1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Motorsystems gemäß der Offenbarung.
- 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens des Motorsystems von 1.
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Detaillierte Beschreibung
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Auch wenn die aktuelle Offenbarung in Bezug auf ein fremdgezündetes, mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes (d. h. Erdgas) Motorsystem beschrieben wird, ist dies nur exemplarisch. Im Allgemeinen kann die aktuelle Offenbarung auf jedwede andere Art von Verbrennungsmotor angewandt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, einen Dieselmotor oder einen Benzinmotor. Der Verbrennungsmotor kann verwendet werden, um eine Maschine, wie z. B. eine Lokomotive, anzutreiben.
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Für die Zwecke der Offenbarung beinhalten zwei Elemente, die „fluidisch verbunden“ sind, zwei Elemente, die auf eine Weise befestigt, gekoppelt oder sonst verbunden sind, dass Fluid sich von einem Element zum anderen bewegen kann, wie z. B. über ein Rohr, ein Kanal, einen Schlauch oder eine andere Verbindung. In dieser Offenbarung werden relative Begriffe, wie z. B. „ungefähr“, „im Wesentlichen“, „allgemein“ oder „etwa“ verwendet, um eine mögliche Abweichung von ±5 % beim angegebenen Wert anzugeben.
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1 veranschaulicht ein Verbrennungsmotorsystem 5, das einen fremdgezündeten Erdgasmotor 10 und ein zusammengesetztes Turboladersystem 12 beinhaltet. Der Motor 10 beinhaltet eine Vielzahl von Zylindern 14 (z. B. 20 Zylinder), die in einem Motorblock 16 untergebracht sind. Während der Motor 10 mit 20 Zylindern beschrieben ist, kann der Motor mindestens zehn Zylinder oder in manchen Fällen weniger als zehn Zylinder beinhalten. Motor 10 ist mit zwei Reihen von Zylindern 14 dargestellt, die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die Vielzahl von Zylindern 14 können in einer Inline-, V- oder anderen Konfiguration angeordnet sein. Der Motor 10 kann herkömmliche Ventile, Zündkerzen, Krümmer usw. beinhalten, die Motorzylindern 14 zugeordnet sind.
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Die Motoransaugluft 5 kann über die Ansaugleitung 18 empfangen werden, die mit einem ersten Turbolader 22 fluidisch verbunden ist. Der erste Turbolader 22 beinhaltet einen ersten Kompressor 24, der einen Einlass 26 und einen Auslass 28 aufweist. Die Ansaugleitung 18 ist mit dem ersten Kompressoreinlass 26 verbunden. Der erste Kompressor 24 ist mit einer ersten Turbine 70 mechanisch gekoppelt, sodass die Drehung der ersten Turbine 70 den ersten Kompressor 24 antreibt/dreht. Die erste Turbine 70 hat einen Einlass 72 für das Empfangen des Motorabgases und einen Auslass 74 für das Zuführen des Motorabgases zu einem Nachbehandlungssystem (nicht dargestellt).
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Der erste Kompressorauslass 28 ist mit einem zweiten Kompressor 34 eines zweiten Turboladers 32 über einen Kanal 29 fluidisch in Reihe verbunden. Der Kanal 29 kann einen Ladeluftkühler 30 mit einer herkömmlichen Struktur beinhalten. Der zweite Kompressor 34 hat einen Einlass 36 und einen Auslass 38. Der zweite Kompressor 34 ist mit der zweiten Turbine 64 mechanisch gekoppelt, sodass die Drehung der zweiten Turbine 64 den zweiten Kompressor 34 antreibt/dreht.
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Wie in 1 dargestellt, kann der zweite Kompressorauslass 38 über Leitung 43 mit einem Nachkühler 40 und einem Motoransaugkrümmer 42 fluidisch verbunden sein. Der Ansaugkrümmer 42 ist mit jedem der Zylinder 14 des Motors 10 fluidisch verbunden. Während nur ein Ansaugkrümmer 42 in 1 schematisch dargestellt ist, ist selbstverständlich, das mehr als ein Ansaugkrümmer im Motorsystem 5 beinhaltet sein kann. Obwohl nicht dargestellt, kann Kraftstoff in das Motorsystem 5 an jedwedem geeigneten Ort wie im Stand der Technik bekannt eingeführt werden. Kraftstoff kann zum Beispiel direkt in Motorzylinder 14 eingeführt werden oder er kann in den Ansaugkrümmer 42 der Vielzahl von Zylindern 14 vorgeordnet eingeführt werden. Der Kraftstoff für Motorsystem 5 kann Erdgas, wie z. B. komprimiertes Erdgas (CNG) oder verflüssigtes Erdgas (LNG) umfassen. Außerdem oder alternativ kann der Kraftstoff Benzin, Dieselkraftstoff, Biodiesel, Ethanol, Bioethanol, Methan, Propan oder jedweden anderen Kraftstoff umfassen, der für die Verwendung in einem Verbrennungsmotor geeignet ist.
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Der Zylinder 14 von Motor 10 sind außerdem mit ein oder mehreren Motorabgaskrümmern 50, 51 verbunden. Wie unten näher beschrieben, können alle oder weniger als alle der Motorzylinder 14 über Abgaskrümmer 50, 51 mit Einlass 66 der zweiten Turbine 64 über eine Abgasleitung 76 fluidisch verbunden sein. Der Auslass 68 der zweiten Turbine 64 ist mit dem Einlass 72 der ersten Turbine 70 fluidisch verbunden. Wie oben angegeben, kann der erste Turbinenauslass 74 mit einem Nachbehandlungssystem (nicht dargestellt) verbunden sein, das ein oder mehrere Katalysatoren, Schalldämpfer, Wärmetauscher usw. beinhaltet.
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Der Abgaskrümmer 50 kann eine Abgasdrosselklappe (ADK) 54 beinhalten, die sich einer Teilmenge der Motorzylinder 14 nachgeordnet, jedoch anderen Zylindern 14 des Motors 10 vorgeordnet befindet. Die ADK 54 steuert, ob Abgas von der Teilmenge der Motorzylinder 14 („AGR-Zylinder 55) den Motor über die Abgasleitung 76 zur zweiten Turbine 64 verlässt oder über ein Abgasrückführungssystem („AGR“)-Leitung 56 zu einer Ansaugseite des Motors 10 zurückgeführt wird, wie unten näher erörtert.
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Wie in 1 dargestellt, kann die ADK 54 zum Beispiel fünf (5) Motorzylindern nachgeordnet angeordnet sein, die mit dem Abgaskrümmer 50 verbunden sein, jedoch den restlichen fünf (5) Zylindern des Abgaskrümmers 50 vorgeordnet. Somit steuert die ADK 54 fünfundzwanzig Prozent (25 %) der zwanzig (20) Zylinder 14 des Motors 10. Es ist selbstverständlich, dass diese Zahl und dieser Prozentsatz der Motorzylinder 14, die durch die ADK 54 gesteuert werden, nur exemplarisch sind, und dass die ADK 54 mindestens 25 %, mehr als 25 % oder weniger als 25 % der Motorzylinder 14 steuern kann, ohne von dieser Offenbarung abzuweichen.
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Die ADK 54 kann eine Klappe sein, die so gestaltet ist, das sie die Hitze und Partikel des Abgaskrümmers 50 aushalten, und sie kann zum Beispiel ein elektrisch gesteuertes Drosselklappenventil oder jedwedes andere geeignete Ventil beinhalten. Die ADK 54 kann zwischen einem vollständig offenen Zustand und einem vollständig geschlossenen Zustand auf Basis von Signalen betätigt werden, die von einer Steuerung 100 empfangen werden. In dem vollständig offenen Zustand gehen Abgase von den AGR-Zylindern 55 zur der Abgasleitung 76, während im vollständig geschlossenen Zustand die Abgase von den AGR-Zylindern 55 durch die AGR-Leitung 56 in Richtung des zweiten Kompressors 34 gehen.
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Die AGR-Leitung 56 verbindet den Abgaskrümmer 50 und die AGR-Zylinder 55 mit dem Kanal 29 an einem Ort dem ersten Kompressor 24 und dem Ladeluftkühler 30 nachgeordnet und dem zweiten Kompressor 34 vorgeordnet fluidisch. Während die AGR-Leitung 56 schematisch als mit dem Abgaskrümmer 50 der ADK 54 vorgeordnet dargestellt ist, ist selbstverständlich, dass die AGR-Leitung 56 sich alternativ an der ADK 54 als Teil der ADK 54 befinden kann. Ferner beinhaltet, wie hierin verwendet, ein Ort dem zweiten Kompressor 34 nachgeordnet das Koppeln der AGR-Leitung 56 direkt in den Einlass 36 des zweiten Kompressors 34. Die AGR-Leitung 56 kann alternativ mit dem Kanal 29 dem Nachkühler 40 vorgeordnet, jedoch dem ersten Kompressor 24 nachgeordnet gekoppelt sein. Die AGR-Leitung 56 kann einen Katalysator 57, AGR-Kühler 58 und ein AGR-Ventil 60 beinhalten. Das AGR-Ventil 60 kann durch eine Steuerung 100 betätigt werden, um sich zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position in Koordination mit der ADK 54 zu bewegen, um den Fluss des Abgases in den Kanal 29 und somit in den zweiten Kompressor 34 zu steuern. Es ist selbstverständlich, dass das Motorsystem 5 so gestaltet oder maßgeschneidert ist, dass geeignete Druckwerte erreicht werden, um die oben dargelegten Fluidflüsse bereitzustellen. Dies kann zum Beispiel die Dimensionierung der ersten und zweiten Turbolader 22, 32 so beinhalten, dass sie die gewünschten Flüsse und Druckwerte bereitstellen.
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Die Steuerung 100 kann mit der ADK 54 und dem AGR-Ventil 60 über die Signalleitungen 102 verbunden sein, um die Bewegung jedes Ventils zu steuern. Die Steuerung 100 des Motorsystems 5 kann ein oder mehrere Mikroprozessoren, Speicher, Software und Firmware zum Ausführen verschiedener Funktionen beinhalten, wie z. B. derjenigen, die in 2 angegeben sind. Die Steuerung 100 kann außerdem mit verschiedenen anderen Motorsensoren und/oder Motorkomponenten (nicht dargestellt) verbunden sein, um Signale zur Überwachung und Steuerung von Motorparametern, wie im Stand der Technik bekannt, zu senden und zu empfangen. Solche Motorsensoren/-komponenten können z. B. Kraftstoffrate, Motordrehzahl, Abgaspartikel usw. wie im Stand der Technik bekannt überwachen und/oder steuern.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte Motorsystem 5 kann in jedweder Maschine verwendet werden, bei der die Implementierung von Abgasrückführung zur Verringerung der Emissionen erwünscht ist. Das Motorsystem der vorliegenden Offenbarung kann zum Beispiel in Lokomotivmotorsystemen Anwendbarkeit finden.
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Ein exemplarischer Betrieb des Motorsystems 5 ist in 2 dargestellt. Bei Schritt 200 wird der Motor 10 eingeschaltet und Fluid fließt über das zusammengesetzte Turboladersystem 12 in den Motor 10. Anfangs ist das AGR-Ventil 60 vollständig geschlossen und die ADK ist vollständig geöffnet. Die Ansaugluft wird durch Ansaugleitung 18 zum ersten Kompressoreinlass 26 des ersten Turboladers 22 geliefert. Die Ansaugluft geht durch den ersten Kompressor 24, den Ladeluftkühler 30, den zweiten Kompressor 34, den Nachkühler 40 und in den Motoransaugkrümmer 42. Die komprimierte und gekühlte Ansaugluft fließt dann in die Vielzahl von Zylindern 14.
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Kraftstoff wird in das Motorsystem 5 eingeführt, um ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in der Vielzahl von Zylindern 14 zu produzieren. Das Gemisch in der Vielzahl von Zylindern wird durch Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs mithilfe von Zündkerzen (nicht dargestellt), die den Motorzylindern 14 zugeordnet sind, verbrannt. Das Abgas wird aus der Vielzahl von Zylindern 14 durch den Abgaskrümmer 50 und in die Abgasleitung 76 abgegeben. Das Abgas fließt durch die zweite Turbine 64 und durch die erste Turbine 70 und dann durch ein Nachbehandlungssystem (nicht dargestellt).
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Die Steuerung 100 überwacht den Betrieb des Motorsystems 5 kontinuierlich, um zu ermitteln, ob der Motorbetrieb einen stationären Zustand erreicht hat (Schritt 202), der einer im Allgemeinen konstanten Kraftstoffrate und/oder Motordrehzahl entspricht. Wenn das Motorsystem 5 einen stationären Zustand erreicht hat, wird die ADK 54 bestätigt, um sich vollständig zu schließen, und das AGR-Ventil 60 wird betätigt, um sich vollständig zu öffnen (Schritt 204). Durch Schließen der ADK 54 geht das Abgas von den AGR-Zylindern 55 zum Einlass des zweiten Kompressors 34 durch die AGR-Leitung 56. Das Abgas, das durch die AGR-Leitung 56 fließt, geht durch den Katalysator 57 und wird durch den AGR-Kühler 58 gekühlt, bevor es wieder in den zweiten Kompressoreinlass 34 durch den Kanal 29 eingeführt wird. Das Motorsystem 5 wird weiterhin in diesem Zustand betrieben, während die Steuerung 100 das Motorsystem 5 überwacht, um einen vorübergehenden Motorzustand zu erkennen (Schritt 206), der einer Situation entspricht, in der die Kraftstoffrate und/oder Motordrehzahl nicht im Allgemeinen konstant sind. Wenn ein vorübergehender Motorsystemzustand erkannt wird, wird das AGR-Ventil 60 vollständig geschlossen und die ADK 54 wird vollständig geöffnet, um das Motor ohne die Abgasrückführung zu betreiben (Schritt 208). Das Motorsystem 5 kehrt dann zu Schritt 202 zurück, wobei die Leistung des Motorsystems 5 auf einen Hinweis auf eine stationäre Bedingung überwacht wird.
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Durch Isolieren der AGR-Zylinder 55 von den restlichen Zylindern 14 während der AGR können die ADK-Zylinder geringeren Abgasdruckwerten als die restlichen Motorzylinder 14 unterliegen.
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Dies kann den gesamten PMEP (pumping mean effective pressure, effektiven Pumpenmitteldruck) des Motorsystems 5 verringern und so ein effizienteres Motorsystem bereitstellen. Dieser geringere gesamte PMEP kann bei Motoren mit höherer Leistungsdichte (d. h. Motorsysteme mit mindestens 10 bar PMEP) aufgrund des Prozentsatzes der erwünschten AGR in solchen Motorsystemen (d. h. mindestens etwa 25 % der gesamten Motorzylinder, die AGR-Abgas liefern) bedeutender sein. Ferner kann das Bereitstellen des AGR-Abgases zum zweiten Kompressor 34 dem ersten Kompressor 24 nachgeordnet einen Ausgleich der Turboladergröße (und zugehörigen Reaktionsschnelligkeit) mit der Motoreffizienz ermöglichen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass am offenbarten System verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsformen der Offenbarung werden für Fachleute auf dem Gebiet unter Berücksichtigung der Spezifikation und einem Praktizieren der verschiedenen hierin offenbarten Erfindung offensichtlich sein. Die Spezifikation und die Beispiele sollen lediglich als exemplarisch betrachtet werden, wobei der wahre Umfang und Geist der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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