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Die Erfindung betrifft ein Abgasturboladersystem mit mehreren Verdichtern und Abgasturbinen und mit mindestens einem Getriebe sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasturboladersystem.
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Ein Einsatz von Getrieben im Zusammenhang mit Abgasturboladern ist aus der
US 4,719,818 und der
US 4,445,337 bekannt. Gemäß diesen Veröffentlichungen werden Planetengetriebe mit zweistufigen Übersetzungen eingesetzt, um in Bereichen der Betriebskennfelder von solche Abgasturbolader umfassenden Brennkraftmaschinen, in denen die Betriebsdrehzahlen und die Betriebslasten gering sind, relativ hohe Kompressionen der Ansaugluft zu erzielen. Eine Anwendung derartiger Abgasturbolader ist primär für Diesel-Lokomotiven vorgesehen.
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Weiterhin kann gemäß der
DE 10 2012 009 049 A1 ein Planetengetriebe eingesetzt werden, um einen mechanischen Verdichter (Kompressor) mit einem Zusatzantrieb zu koppeln.
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Gemäß der
DE 10 2008 005 201 A1 kann die Abgasturbine eines Abgasturboladers sowohl einen Verdichter als auch, über ein Getriebe, die Abtriebswelle eines Verbrennungsmotors antreiben.
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Die
EP 1 342 894 A1 offenbart ein Abgasturboladersystem mit einer Abgasturbine und mit zwei Verdichtern, wobei das Verdichterlaufrad eines ersten Verdichters direkt beziehungsweise über eine Welle mit dem Turbinenlaufrad der Abgasturbine antriebsverbunden ist, während das Verdichterlaufrad des zweiten Verdichters über ein Zahnradgetriebe mit der Welle antriebsverbunden ist.
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Die
DE 10 2012 021 844 A1 offenbart eine Aufladeeinheit für einen Verbrennungsmotor mit einem Hochdruck-Abgasturbolader und einem Niederdruck-Abgasturbolader, wobei die Abgasturbine und der Verdichter des Hochdruck-Abgasturboladers über ein Getriebe miteinander antriebsverbunden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine anzugeben, die sich durch eine flexible Positionierbarkeit der dazugehörigen Komponenten und/oder durch ein vorteilhaftes Betriebsverhalten, insbesondere in instationären Betriebszuständen, auszeichnet.
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Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 9 gelöst. Ein bei einer solchen Brennkraftmaschine genutzter Abgasturbolader ist Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas, das zumindest hauptsächlich aus Luft bestehen kann, zu dem Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor sowie ein (erfindungsgemäßes) Abgasturboladersystem aufweist. Das Abgasturboladersystem umfasst mindestens einen Verdichter und mindestens zwei Abgasturbinen, die (d.h. zumindest diese drei Komponenten) über einen Verbindungsstrang, der mindestens ein Getriebe umfasst, miteinander antriebsverbunden sind. Der Antrieb des mindestens einen Verdichters durch mindestens zwei Abgasturbinen gleichzeitig kann eine vorteilhafte Verdichtung von Frischgas, das dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zugeführt werden soll, bewirken. Die Abgasturbinen können dabei auch eine variable Turbinengeometrie (VTG) aufweisen.
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Als „Getriebe“ wird grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden, mittels der eine Eingangsleistung über mindestens eine Eingangswelle des Getriebes auf mindestens eine sich von der Eingangswelle unterscheidende Ausgangswelle des Getriebes übertragen wird.
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Eine „Abgasturbine“ umfasst erfindungsgemäß zumindest ein Turbinenlaufrad, eine drehfest mit dem Turbinenlaufrad verbundene Abtriebswelle sowie eine Abgasführung zur Beaufschlagung des Turbinenlaufrads mit Abgas. Unterschiedliche Abgasturbinen umfassen demnach auch unterschiedlichen Turbinenlaufräder mit jeweils dazugehöriger Abtriebswelle sowie unterschiedliche Abgasführungen. Die unterschiedlichen Abgasturbinen können dabei jedoch ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.
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Vergleichbar dazu umfasst ein „Verdichter“ erfindungsgemäß zumindest ein Verdichterlaufrad, eine drehfest mit dem Verdichterlaufrad verbundene Antriebswelle sowie eine Frischgasführung zur Beaufschlagung des Verdichterlaufrads mit Frischgas. Unterschiedliche Verdichter, sofern vorgesehen, umfassen demnach auch unterschiedliche Verdichterlaufräder mit jeweils dazugehöriger Antriebswelle sowie unterschiedliche Frischgasführungen. Die unterschiedlichen Verdichter können dabei jedoch ein gemeinsames Gehäuse umfassen. Weiterhin kann zumindest ein Verdichter und zumindest eine Abgasturbine, ggf. alle Verdichter und Abgasturbinen eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems, ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Wird kein gemeinsames Gehäuse verwendet, kann dies Vorteile bezüglich des Wärmehaushalts haben, da der zumindest eine Verdichter und die zumindest eine Abgasturbine örtlich entfernt voneinander montiert werden können, wodurch der zumindest eine Verdichter deutlich weniger Strahlungswärme, die von der zumindest einen Abgasturbine ausgeht, ausgesetzt ist. Damit bleiben der zumindest eine Verdichter und das darin komprimierte Frischgas kälter, was sich positiv auf das in dem Verbrennungsmotor umgesetzte Brennverfahren auswirkt.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Anzahl an Verdichtern (1 bis n) im Vergleich zu der Anzahl an Abgasturbinen (2 bis n) unterschiedlich ist. Beispielsweise kann folgende Zuordnung von Verdichtern und Abgasturbinen zu Verbrennungsmotoren mit 4, 5, 6, 8 oder 10 Brennräumen (insgesamt) vorgesehen sein:
| Anzahl Brennräume | Anzahl Verdichter | Anzahl Abgasturbinen |
| 4 | 1 | 2 |
| 5 | 1 | 2 |
| 1 | 3 |
| 2 | 3 |
| 6 | 1 | 2 |
| 1 | 3 |
| 2 | 3 |
| 1 | 4 |
| 2 | 4 |
| 8 | 1 | 2 |
| 1 | 4 |
| 2 | 4 |
| 10 | 1 | 2 |
| 1 | 3 |
| 2 | 3 |
| 2 | 4 |
| 4 | 2 |
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Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst vorzugsweise mindestens einen ersten Brennraum und mindestens einen zweiten Brennraum und der Abgasstrang einen ersten Abgasteilstrang und einen zweiten Abgasteilstrang, die separiert verlaufen, wobei der erste Abgasteilstrang von dem mindestens einen ersten Brennraum abgeht und eine erste der Abgasturbinen (nicht jedoch auch eine zweite der Abgasturbinen) integriert und der zweite Abgasteilstrang von dem mindestens einen zweiten Brennraum abgeht und die zweite Abgasturbine (nicht jedoch auch die erste Abgasturbine) integriert.
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Durch eine solche Zuordnung nur eines Teils der insgesamt vorgesehenen Brennräume zu den einzelnen Abgasturbinen wird ermöglicht, die Abgasturbinen relativ flexibel zu positionieren, was sich vorteilhaft auf einen von der Brennkraftmaschine beanspruchten Bauraum auswirken kann. Ebenfalls kann sich eine solche flexible Positionierung der Abgasturbinen vorteilhaft hinsichtlich des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine auswirken, da die bis zu den Abgasturbinen reichenden Abschnitte der Abgasteilstränge und damit die Wege, die das Abgas von dem Verbrennungsmotor bis zu den einzelnen Abgasturbinen zurücklegen muss, relativ kurz gewählt werden können. Dadurch können Wärmeverluste des Abgases relativ gering gehalten werden, und folglich kann relativ viel Abgasenthalpie in den Abgasturbinen genutzt werden, um mittels des mindestens einen Verdichters eine Verdichtung von Frischgas, das dem Verbrennungsmotor zugeführt werden soll, zu erreichen. Gleichzeitig wird durch die Antriebsverbindung beider Abgasturbinen mit demselben mindestens einen Verdichter vermieden, dass die zeitlich relativ weit auseinander liegenden Abgasstöße, mit denen die einzelnen Abgasturbinen aufgrund einer Zuordnung zu einer nur relativ geringen Anzahl an Brennräumen beaufschlagt werden, zu einer entsprechend stark schwankenden Verdichtungsleistung des mindestens einen Verdichters führt.
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Das in den Verbindungsstrang eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems integrierte Getriebe kann einerseits die drehantreibende Verbindung beider Abgasturbinen mit demselben Verdichter auch dann vorteilhaft ermöglichen, wenn diese relativ weit voneinander entfernt angeordnet sind beziehungsweise wenn diese beziehungsweise jeweils ein Turbinenlaufrad der Abgasturbinen und/oder ein Verdichterlaufrad des mindestens einen Verdichters, wie dies vorgesehen sein kann, auf nebeneinander und insbesondere parallel verlaufenden Wellen angeordnet sind. Vorteilhaft kann jedoch auch eine schräge Ausrichtung von Wellen des/der Verdichter(s) und/oder der Abgasturbinen sein, was durch eine entsprechende Ausgestaltung des/der Getriebe(s) ermöglicht werden kann und was die Flexibilität bei der Positionierung des/der Verdichter(s) und/oder der Abgasturbinen weiter erhöhen kann.
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Weiterhin ermöglicht die Integration eines Getriebes in den Verbindungstrang auch eine Beeinflussung der Art, wie der gemeinsame Antrieb des mindestens einen Verdichters durch die mindestens zwei Abgasturbinen gleichzeitig erfolgt. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis ungleich 1 aufweist. Sofern, wie dies grundsätzlich vorgesehen sein kann, mindestens zwei Getriebe in den Verbindungstrang integriert sind, können die mindestens zwei Getriebe vorzugsweise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen. Bei mindestens zwei in den Verbindungsstrang integrierten Getrieben kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeweils ein Getriebe in dem Übertragungsweg zwischen einer der Abgasturbinen und dem oder den von dieser angetriebenen Verdichter(n) angeordnet ist.
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Eine solche Beeinflussung des gemeinsamen Antriebs des mindestens einen Verdichters durch die mindestens zwei Abgasturbinen kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn mindestens zwei Verdichter unterschiedlich groß sind und/oder mindestens zwei Abgasturbinen unterschiedlich groß sind und/oder wenn die Anzahl an ersten Brennräumen (1 bis n) im Vergleich zu der Anzahl an zweiten Brennräumen (1 bis n) unterschiedlich ist. Dabei wird unter einer „unterschiedlich großen“ Ausgestaltung eine Dimensionierung für einen unterschiedlich großen maximalen Gasmassenstrom, der innerhalb der Grenzen der jeweiligen (Verdichter- oder Turbinen-) Kennfelder durch die einzelnen Verdichter oder die einzelnen Abgasturbinen führbar ist, verstanden. Es besteht dadurch die Möglichkeit, die unterschiedlichen Vorteile, die relativ kleine Verdichter/Abgasturbinen einerseits, insbesondere eine relativ geringe Massenträgheit und damit ein relativ gutes Ansprechverhalten, und relativ große Verdichter/Abgasturbinen andererseits, insbesondere ein relativ großer maximaler Gasdurchsatz, aufweisen, vorteilhaft in den verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine auszunutzen.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, bei der die Brennräume jeweils einzelnen der Abgasturbinen zugeordnet sind, kann vorzugsweise weiterhin derart ausgestaltet sein, dass der mindestens eine erste Brennraum und/oder der mindestens eine zweite Brennraum deaktivierbar ist, so dass diesem Brennraum oder diesen Brennräumen im (Last-)Betrieb des Verbrennungsmotors zumindest kein Kraftstoff zugeführt wird. Bei einer solchen Deaktivierung mindestens eines Brennraums wird der Verbrennungsmotor in einem Teilbetrieb, der auch als Betrieb mit Zylinderabschaltung bekannt ist, betrieben werden. Ein (Last-)Betrieb, bei dem sämtlichen der Brennräume Kraftstoff zugeführt wird, wird dagegen vorliegend als Vollbetrieb bezeichnet. Ein Vorteil, der sich aus dieser Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ergeben kann, liegt in einer möglichst optimalen Dimensionierung zumindest derjenigen Abgasturbine, die dem Brennraum oder den Brennräumen zugeordnet ist, die nicht deaktivierbar sind. Dies folgt daraus, dass bei dieser Dimensionierung nicht darauf Rücksicht genommen werden muss, dass gegebenenfalls deutlich unterschiedliche Abgasmassenströme durch die Turbine in einerseits dem Vollbetrieb und andererseits dem Teilbetrieb des Verbrennungsmotors geführt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Beeinflussung des gemeinsamen Antriebs des mindestens einen Verdichters durch die mindestens zwei Abgasturbinen wird dadurch ermöglicht, dass der Verbindungsstrang zumindest eine Kupplung umfasst, die lösbar beziehungsweise trennbar ist und/oder für die ein definierter Schlupf einstellbar ist. Dadurch kann bedarfsgerecht und variabel beeinflusst werden, in welchem Maße die zumindest zwei Abgasturbinen den gemeinsamen Antrieb des mindestens einen Verdichters bewirken. Eine solche Kupplung kann beliebig ausgestaltet sein, d.h. form-, kraft- und/oder reibschlüssig wirken. Beispielsweise kann die Kupplung als Magnetkupplung ausgestaltet sein.
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Derselbe Vorteil kann auch dadurch realisiert werden, dass das Übersetzungsverhältnis des Getriebes oder zumindest eines der Getriebe (in Stufen oder, vorzugsweise, stufenlos) einstellbar ist und/oder wenn eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Verbindungsleitung umfasst, die den ersten Abgasteilstrang und den zweiten Abgasteilstrang jeweils stromauf der Abgasturbinen (gasführend) miteinander verbindet, wobei mittels einer Verteilvorrichtung eine Führung von Abgas über die Verbindungsleitung und/oder über zumindest einen der Abgasteilstränge hinsichtlich des Massenstroms einstellbar ist. Dadurch kann beeinflusst werden, welche der Abgasturbinen in einem höheren Maße zu einer Verdichtung von Frischgas mittels des gemeinsam angetriebenen Verdichters beitragen. Insbesondere wird dadurch ein erfindungsgemäßes Betreiben einer Brennkraftmaschine ermöglicht, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einer Lasterhöhung im Betrieb des Verbrennungsmotors, beispielsweise ausgehend von einem Leerlauf, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes, dessen Übersetzungsverhältnis einstellbar ist, oder zumindest eines solchen der Getriebe zu > 1 eingestellt wird. Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass Abgas von einem der Abgasteilstränge über die Verbindungsleitung zu dem anderen der Abgasteilstränge überführt wird.
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Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Verbindungsleitung und eine Verteilvorrichtung umfasst, kann dies auch vorteilhaft ausgenutzt werden, um eine der Abgasturbinen, beispielsweise die erste Abgasturbine, hinsichtlich eines maximal im Betrieb des Verbrennungsmotors aus dem mindestens einen dieser Abgasturbine zugeordneten (ersten) Brennraum ausgebrachten Abgasmassenstroms zu unterdimensionieren. Darunter wird verstanden, dass die Stopfgrenze der (ersten) Abgasturbine überschritten werden würde, sofern dieser maximale Abgasmassenstrom durch die (erste) Abgasturbine geführt würde. Um ein solches Überschreiten der Stopfgrenze bei einer entsprechenden erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zu vermeiden, kann dann ein Teil des aus den dieser (ersten) Abgasturbine zugeordneten (ersten) Brennräumen stammenden Abgases über die Verbindungsleitung zu der anderen (zweiten) Abgasturbine geführt und damit die diesen Brennräumen eigentlich zugeordnete (erste) Abgasturbine entlastet werden.
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Der mindestens eine erste Brennraum und der mindestens eine zweite Brennraum einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können in derselben Brennraumbank ausgebildet sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mindestens zwei erste Brennräume in einer ersten Brennraumbank und mindestens zwei zweite Brennräume in einer zweiten Brennraumbank ausgebildet sind.
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Eine Brennraumbank des Verbrennungsmotors einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist durch eine Reihenanordnung der mindestens zwei dazugehörigen Brennräume gekennzeichnet. Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mehrere und insbesondere zwei Brennraumbänke aufweist, sind die Brennräume der einzelnen Brennraumbänke nicht in Reihe mit den Brennräumen der anderen oder jeder weiteren Brennraumbank angeordnet. Gleichzeitig können Kolben des Verbrennungsmotors, die die Brennräume mehrerer Brennraumbänke (mit-)begrenzen, auf dieselbe Abtriebswelle (Kurbelwelle) des Verbrennungsmotors wirken. Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die mehrere und dann vorzugsweise zwei Brennraumbänke aufweist, kann insbesondere eine V- (einschließlich Doppel-V) oder eine W-Anordnung der Brennraumbänke aufweisen.
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Das Getriebe oder zumindest eines der Getriebe eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems kann vorzugsweise als Reibradgetriebe oder als Planetenzahnradgetriebe oder als elektrisches Getriebe (umfassend einen Generator und einen von dem Generator gespeisten Elektromotor) ausgestaltet sein, da diese Getriebearten vorteilhaft bei den hohen Drehzahlen, die Abgasturbolader erreichen, einsetzbar sind.
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Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination daraus, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei mit Flüssigkraftstoff (insbesondere Diesel oder Benzin) und/oder mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, Wasserstoff, LNG oder LPG) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:
- 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
- 2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
- 3: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform;
- 4: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer vierten Ausgestaltungsform;
- 5: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer fünften Ausgestaltungsform;
- 6: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer sechsten Ausgestaltungsform;
- 7: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer siebten Ausgestaltungsform;
- 8: eine während eines Betriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umsetzbare Aktuatorsteuerung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 9: eine während eines Betriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umsetzbare Aktuatorsteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 10: eine während eines Betriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umsetzbare Aktuatorsteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 11: eine Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems.
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Die 1 bis 7 zeigen erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen.
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Die Brennkraftmaschinen weisen jeweils einen Verbrennungsmotor 1 auf, wobei die Verbrennungsmotoren 1 der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 jeweils lediglich eine Brennraumbank 2 umfassen, während die Verbrennungsmotoren 1 der Brennkraftmaschinen gemäß den 3 bis 7 jeweils eine erste Brennraumbank 2a sowie eine zweite Brennraumbank 2b umfassen. Lediglich zur zeichnerischen Vereinfachung sind die Brennraumbänke 2 der Brennkraftmaschinen gemäß den 3 bis 6 in Reihe angeordnet dargestellt. Tatsächlich ist für diese zwei Brennraumbänke 2 beziehungsweise für darin jeweils ausgebildete Brennräume 4 keine Anordnung in Reihe vorgesehen.
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In jeder der Brennraumbänke 2 sind eine Mehrzahl von Brennräumen 4, beispielsweise vier oder sechs Brennräume 4, ausgebildet. Die Brennräume 4 sind von Zylinderöffnungen 5, die in einem Zylinderkurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 ausgebildet sind, von in den Zylinderöffnungen 5 beweglich geführten Kolben 6 und von einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) begrenzt. Im Betrieb der Brennkraftmaschinen können in den Brennräumen 4 Gemischmengen verbrannt werden, wobei die so erzeugten Druckerhöhungen dazu genutzt werden, die Kolben 6 zu bewegen. Die Bewegungen der Kolben 6 werden über Pleuel (nicht dargestellt) in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt), bei den Brennkraftmaschinen mit mehreren Brennraumbänken 2 gemäß den 3 bis 7 einer gemeinsamen Kurbelwelle, gewandelt, wobei die Führung der Kolben 6 über die Pleuel mittels der Kurbelwelle gleichzeitig zu einer zyklischen Hin-und-Her-Bewegung der Kolben 6 führt.
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Die zur Verbrennung in den Brennräumen 4 vorgesehenen Gemischmengen umfassen einerseits Frischgas, das vollständig oder teilweise aus Umgebungsluft besteht, die aus der Umgebung angesaugt wird, wobei das Frischgas dem jeweiligen Verbrennungsmotor 1 über einen Frischgasstrang 7 zugeführt wird.
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In den Frischgasstrang 7 sind jeweils ein Verdichter 16 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems sowie, stromab des jeweiligen Verdichters 16, ein oder zwei Drosselvorrichtungen 8 integriert. Lediglich eine Drosselvorrichtung 8 ist bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 3, 5 und 7 vorgesehen. Die Brennkraftmaschinen gemäß den 4 und 6 umfassen dagegen zwei Drosselvorrichtungen 8, von denen jeweils eine in einen von zwei Frischgasteilsträngen 7a, 7b integriert ist. Die Frischgasteilstränge 7a, 7b verlaufen ausgehend von einer Verzweigung separiert voneinander zu jeweils einem Saugrohr 13, das jedem der Brennraumbänke 2 zugeordnet ist. In dem Saugrohr 13 erfolgt eine Aufteilung des Frischgases auf einzelne, den jeweiligen Brennräumen 4 zuzuführende Frischgasströme. Mittels der zwei Drosselvorrichtungen 8 können die Frischgasströme, die den Brennräumen 4 der verschiedenen Brennraumbänke 2 zugeführt werden, individuell beeinflusst, d.h. insbesondere bedarfsgerecht gedrosselt werden. Die Brennkraftmaschinen gemäß den 3, 5 und 7, die ebenfalls zwei Brennraumbänke 2 aufweisen, umfassen ebenfalls zwei Saugrohre 13 sowie zwei Frischgasteilstränge 7a, 7b, wobei bei diesen Brennkraftmaschinen die einzelne Drosselvorrichtung 8 stromauf der Verzweigung der Frischgasteilstränge 7a, 7b angeordnet ist. Eine individuelle Beeinflussung der Frischgasströme mittels der Drosselvorrichtung 8, die den Brennräumen 4 der verschiedenen Brennraumbänke 2 zugeführt werden, ist dadurch nicht möglich.
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Die zur Verbrennung in den Brennräumen 4 vorgesehenen Gemischmengen umfassen weiterhin Kraftstoff, der direkt mittels Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 und/oder indirekt mittels Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in Einlasskanäle (nicht dargestellt) des jeweiligen Verbrennungsmotors 1 eingebracht und dort zusammen mit dem Frischgas verbrannt werden kann.
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Das bei der Verbrennung der Frischgas-Kraftstoff-Gemischmengen in den Brennräumen 4 entstandene Abgas wird über einen Abgasstrang 9 abgeführt. Der Abgasstrang 9 umfasst bei jeder der Brennkraftmaschinen einen ersten Abgasteilstrang 9a und einen zweiten Abgasteilstrang 9b, wobei der erste Abgasteilstrang 9a (ausschließlich) von ersten Brennräumen 4a abgeht und der zweite Abgasteilstrang 9b (ausschließlich) von zweiten Brennräumen 4b des Verbrennungsmotors 1 abgeht. Bei den Brennkraftmaschinen mit mehreren Brennraumbänken 2 gemäß den 3 bis 6 sind die ersten Brennräume 4a in der ersten Brennraumbank 2a und die zweiten Brennräume 4b in der zweiten Brennraumbank 2b ausgebildet. Der jeweilige erste Abschnitt der Abgasteilstränge 9a, 9b ist in Form eines Abgaskrümmers 14 ausgebildet, der einen Sammler darstellt, in dem die einzelnen Abgasströme, die aus den jeweils zugeordneten Brennräumen 4 in die verschiedenen Abgasteilstränge 9a, 9b überführt worden sind, zusammengeführt werden.
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In den Abgasstrang 9 der Brennkraftmaschinen sind jeweils zwei Abgasturbinen 10 integriert, wobei eine erste Abgasturbine 10a in den ersten Abgasteilstrang 9a und eine zweite Abgasturbine 10b in den zweiten Abgasteilstrang 9b integriert ist.
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In den Abgasstrang 9 jeder der Brennkraftmaschinen ist weiterhin mindestens eine Abgasnachhandlungsvorrichtung 12 eines Abgasnachbehandlungssystems integriert. Diese Abgasnachhandlungsvorrichtung 12 ist bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 6 jeweils in einem Endabschnitt 9c des Abgasstrangs 9 angeordnet, in dem der Abgasstrang 9 nicht in den ersten Abgasteilstrang 9a und den zweiten Abgasteilstrang 9b separiert ist. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 7 sind die beiden Abgasteilstränge 9a, 9b dagegen separiert voneinander jeweils bis zu einer Umgebungsmündung 3 geführt, wobei in jeden der Abgasteilstränge 9a, 9b jeweils eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 integriert ist. Eine solche Ausgestaltung des Abgasstrangs 9 ist auch bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 6 umsetzbar, wie dies beispielhaft in der 1 mit gestrichelter Linienführung dargestellt ist.
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Bei allen Brennkraftmaschinen sind die beiden Abgasturbinen 10 (bzw. Abtriebswellen davon) mit dem einen Verdichter 16 (bzw. mit einer Antriebswelle davon) über jeweils ein Getriebe 11 antriebsverbunden. Diese Ausgestaltungen der Brennkraftmaschinen beziehungsweise der Abgasturboladersysteme davon gewährleisten eine vorteilhafte, weil gleichmäßige Verdichtung des Frischgases, da sich durch die Antriebsverbindung der jeweils zwei Abgasturbinen 10 mit dem einen Verdichter 16 relativ große zeitliche Abstände zwischen aufeinander folgenden Beaufschlagungen der Abgasturbinen 10 mit Abgasstößen, die aus der reduzierten Anzahl an Brennräumen 4, die abgasleitend mit den einzelnen Abgasturbinen 10 verbunden sind, resultieren, nicht negativ hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Verlaufs der Verdichtungsleistung des Verdichters 16 auswirken.
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Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2, 5 und 6 ist jeweils noch eine Verbindungsleitung 15 vorgesehen, die den ersten Abgasteilstrang 9a und den zweiten Abgasteilstrang 9b jeweils stromauf der Abgasturbinen 10 miteinander verbindet, wobei mittels einer Verteilvorrichtung 17 eine Führung von Abgas über die jeweilige Verbindungsleitung 15 und über den jeweiligen zweiten Abgasteilstrang 9b hinsichtlich des darüber geführten Abgasmassenstroms einstellbar (jeweils bis zu Null) ist. In den dargestellten Ausgestaltungsbeispielen ist diese Verteilvorrichtung 17 in Form eines 3-Wege-Ventils ausgestaltet. Mittels der Verteilvorrichtung 17 kann Abgas, das aus den jeweiligen zweiten Brennräumen 4b in den zweiten Abgasteilstrang 9b überführt wurde, bei Bedarf ganz oder teilweise über die Verbindungsleitung 15 in den ersten Abgasteilstrang 9a eingeleitet werden. Dieses aus den zweiten Brennräumen 4b stammende Abgas durchströmt dann gemeinsam mit dem Abgas, das aus den ersten Brennräumen 4a stammt, die erste Abgasturbine 10a. Ein solches Vorgehen kann beispielsweise zur Realisierung eines vorteilhaften dynamischen Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors 1 der jeweiligen Brennkraftmaschine, d.h. bei einem Hochfahren aus dem Leerlauf oder aus einem Betrieb mit relativ niedrigen Drehzahlen und/oder Lasten heraus hin zu einem Betrieb mit relativ hohen Drehzahlen und/oder Lasten, wie es beispielsweise beim Anfahren (aus dem Stand) eines von der jeweiligen Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs der Fall ist, genutzt werden. Bei den dann initial vorliegenden, relativ kleinen Abgasmassenströmen kann das Abgas aller Brennräume 4 durch eine entsprechende Schaltung der Verteilvorrichtung 17 durch (ausschließlich) die erste Abgasturbine 10a geführt werden, wodurch diese möglichst schnell eine relativ große Antriebsleistung für den Verdichter 16 generieren kann. Dabei kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die erste Abgasturbine 10a relativ klein (im Vergleich zu der zweiten Abgasturbine 10b) dimensioniert ist. Durch das dann relativ geringe Massenträgheitsmoment der ersten Abgasturbine 10a kann diese und damit auch der mit dieser antriebsverbundene Verdichter 16 relativ schnell beschleunigt werden.
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Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn zumindest in die drehantreibende Verbindung der zweiten Abgasturbine 10b mit dem Verdichter 16 (jeweils) eine Kupplung 18 integriert ist. Diese Kupplung 18 kann dann gelöst und damit die Antriebsverbindung zwischen der zweiten Abgasturbine 10b und dem Verdichter 16 getrennt werden. Dadurch wird vermieden, dass ein Teil der Antriebsleistung der ersten Abgasturbine 10a für einen Antrieb und insbesondere eine Beschleunigung der leer laufenden und gegebenenfalls relativ großen zweiten Abgasturbine 10b genutzt wird und dieser Teil der Antriebsleistung somit nicht für den Antrieb des Verdichters 16 zur Verfügung steht.
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Ein entsprechendes Abgasturboladersystem ist in der 11 dargestellt. Bei diesem Abgasturboladersystem ist in den Verbindungstrang beziehungsweise in die zwei diesen Verbindungstrang ausbildenden Verbindungsteilstränge, die den Verdichter 16 beziehungsweise das dazugehörige Verdichterlaufrad jeweils mit einer der zwei Abgasturbinen 10 beziehungsweise den dazugehörigen Turbinenlaufrädern antriebsverbinden, jeweils eine Kupplung 18 sowie ein Getriebe 11 integriert. Die Kupplungen 18 sind beispielsweise berührungslose Magnetkupplungen, die Getriebe sind beispielsweise in Form von Umlaufrädergetrieben ausgestaltet.
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Die Verteilvorrichtung 17 kann wieder in eine Normalstellung umgeschaltet werden, wenn die pro Brennraum 4 anfallende Abgasmasse einen Schwellwert übersteigt. Dann wird das Abgas aus den verschiedenen (d.h. den ersten oder zweiten) Brennräumen 4 zu den jeweils zugeordneten Abgasturbinen 10 geführt, so dass diese gemeinsam einen Antrieb des Verdichters 16 mit entsprechend hoher Verdichtungsleistung bewirken.
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Neben einer lediglich zweistufigen Schaltbarkeit der Verteilvorrichtung 17 kann auch vorgesehen sein, dass diese in mehr als zwei Stufen oder stufenlos verstellbar ausgestaltet ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass lediglich ein Teil des aus den zweiten Brennräumen 4b stammenden Abgases über die Verbindungsleitung 15 in den ersten Abgasteilstrang 9a eingeleitet wird, während der Rest dieses Abgases durch die den zweiten Brennräumen 4b eigentlich zugeordnete zweite Abgasturbine 10b geführt wird.
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Ein vorteilhaftes dynamisches Betriebsverhalten der Brennkraftmaschinen kann auch dadurch realisiert werden, dass das Übersetzungsverhältnis von zumindest einem oder beiden der Getriebe 11 (variabel) einstellbar ist, wobei bei einem Hochfahren des Verbrennungsmotors 1 für zumindest eines der Getriebe 11 ein Übersetzungsverhältnis > 1 eingestellt wird. Dadurch ergibt sich eine relativ hohe Antriebsdrehzahl für den Verdichter 16 im Vergleich zu der oder den Abtriebsdrehzahlen des oder der Abgasturbinen 10. Sofern vorgesehen ist, für ein Hochfahren des Verbrennungsmotors 1 durch die Verwendung der Verbindungsleitung 17 das gesamte Abgas durch lediglich die erste Abgasturbine 10a zu führen, kann es ausreichend sein, lediglich das dieser ersten Abgasturbine 10a zugeordnete Getriebe 11 mit einem einstellbaren Übersetzungsverhältnis auszugestalten.
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Die Größen der Abgasturbinen 10 und des Verdichters 16 sollten auf die jeweils zu erwartenden Gasmassenströme angepasst sein. Die Größe des Verdichters 16 kann dazu derart gewählt werden, dass der im gesamten vorgesehenen Betriebskennfeld, in dem der Verbrennungsmotor 1 betrieben werden kann, maximal dem Verbrennungsmotor 1 zuzuführende Frischgasmassenstrom durch den Verdichter 16 geführt werden kann, ohne dass dieser an seine Stopf- oder Pumpgrenze gerät. Grundsätzlich sollten auch die Größen der beiden Abgasturbinen 10 derart gewählt werden, dass der gesamte anfallende Abgasmassenstrom über diese geführt werden kann, ohne dass eine der beiden oder beide Abgasturbinen an ihre Stopf- oder Pumpgrenze gerät oder geraten. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Anzahlen an (ersten oder zweiten) Brennräumen 4, die den verschiedenen Abgasteilsträngen 9a, 9b und damit grundsätzlich auch den verschiedenen Abgasturbinen 10 zugeordnet sind, unterschiedlich gewählt sind. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Abgasturbinen 10 unterschiedlich groß dimensioniert sind, wobei dann vorzugsweise der relativ großen Abgasturbine 10 relativ viele Brennräume 4 zugeordnet sind. Beispielsweise kann bei einem Verbrennungsmotor 1 mit insgesamt vier Brennräumen 4 eine Aufteilung der Brennräume 4 von eins zu drei, bei einem Verbrennungsmotor 1 mit insgesamt sechs Brennräumen 4 eine Aufteilung der Brennräume 4 von zwei zu vier und bei einem Verbrennungsmotor 1 mit insgesamt acht Brennräumen 4 eine Aufteilung der Brennräume 4 von drei zu fünf vorgesehen sein. Jede der beiden Abgasturbinen 10 kann dann derart dimensioniert sein, dass durch diese problemlos, d.h. ohne ein Überschreiten der dazugehörigen Stopf- oder Pumpgrenze, der in den jeweils zugeordneten Brennräumen 4 im gesamten Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors 1 maximal anfallende Abgasmassenstrom geführt werden kann.
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Ein Getriebe 11 mit einem (gegebenenfalls nicht einstellbaren) Übersetzungsverhältnis ungleich eins ist grundsätzlich dann vorteilhaft einsetzbar, wenn sich die Antriebsleistungen der beiden Abgasturbinen 10 unterscheiden. Dadurch können diese unterschiedlichen Antriebsleistungen hinsichtlich der Wirkung auf den Verdichter 16 angeglichen werden, um eine möglichst gleichmäßige Verdichtung des Frischgases zu ermöglichen. Unterschiedliche Antriebsleistungen der Abgasturbinen 10 können sich dabei beispielsweise dadurch ergeben, dass die Anzahlen an Brennräumen 4, die den einzelnen Abgasteilsträngen 9a, 9b zugeordnet sind, und/oder die Größen der Abgasturbinen 10 unterschiedlich sind.
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Sofern in den Verbindungsstrang des Abgasturboladersystems mindestens eine Kupplung 18 integriert ist, kann eine Steuerungsfunktion in einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) der entsprechenden Brennkraftmaschine vorgesehen sein, die in Abhängigkeit möglicher Drehzahlunterschiede der zwei Abgasturbinen 10, ein Lösen oder Schließen der drehantreibenden Verbindungen dieser Abgasturbinen 10 mit dem Verdichter 16 durch eine entsprechende Betätigung der Kupplung(en) 18 bewirkt und dabei gegebenenfalls, beispielsweise durch ein Einstellen eines definierten Kupplungsschlupfs, eine an die jeweilige Situation angepasste Veränderung der Übersetzung in zumindest einer der drehantreibenden Verbindungen vornimmt. Dazu können die Drehzahlen der Abgasturbinen 10 und des Verdichters 16 mittels Drehzahlsensoren (nicht dargestellt) bestimmt und an die Steuerungsvorrichtung übermittelt werden. Dann kann die Steuerungsvorrichtung auf Basis von zu- und abnehmenden Drehzahlen den Zeitpunkt des Trennens oder Schließens der Kupplung(en) 18 wählen und Aktoren derart ansteuern, dass ein Trennen oder Schließen zum gewünschten Zeitpunkt erfolgt. Für ein Trennen und Schließen kann es aus Akustik- und Komfortgründen zusätzlich vorteilhaft sein, eine Drehzahlsynchronisation auf geeignete, aus dem Stand der Technik bekannte Weise herzustellen. Ein solches Vorgehen ist in der 8 gezeigt. Dabei steht die Abkürzung „V“ für Verdichter, „T1“ für die in den ersten Abgasteilstrang 9a integrierte erste Abgasturbine 10a und „T2“ für die in den zweiten Abgasteilstrang 9b integrierte zweite Abgasturbine 10b.
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Sofern eine Verteilvorrichtung 17 verbaut ist, sollte diese ebenfalls aktuiert werden. Die Aktuierung erfolgt beispielsweise anhand der Stellung eines Fahrpedals eines mittels einer entsprechenden Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs oder aus Daten, die die Steuerungsvorrichtung der Brennkraftmaschine direkt liefert (z.B. Motordrehzahl, eingespritzte Kraftstoffmasse, effektiver Mitteldruck, etc.). Wird die Verteilvorrichtung 17 in der oben beschriebenen Weise für die Erzielung eines vorteilhaften dynamischen Betriebsverhaltens eingesetzt, kann anhand der Stellung des Fahrpedals oder auf Basis von Daten der Steuerungsvorrichtung beim Vorliegen relativ kleiner Abgasmassenströme die Verteilvorrichtung derart aktuiert werden, dass die Verbindungsleitung 15 teilweise oder vollständig freigegeben wird („Schließen der Verbindung zum zugehörigen AGK“ und „Öffnen der Verbindung zur „fremden“ Turbine““). Wird eine kritische Abgasmasse (MAbgas > mAbgas,0) erreicht, kann die Verteilvorrichtung derart aktuiert werden, dass die Verbindungsleitung geschlossen ist („Öffnen der Verbindung zum zugehörigen AGK“ und „Schließen der Verbindung zur „fremden“ Turbine“). Eine solche Steuerung ist in der 9 dargestellt. Dabei steht die zusätzliche Abkürzung „AGK“ für einen Abgaskrümmer 14 und „0“ für einen definierten Schwellwert
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Die Verbindungsleitung 15 und die Verteilvorrichtung 17, die bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2, 5 und 6 vorgesehen sind, ermöglichen auch, eine der Abgasturbinen 10, insbesondere die erste Abgasturbine 10a, kleiner zu dimensionieren, als es eigentlich für den maximalen Abgasmassenstrom aus den dieser zugeordneten (ersten) Brennräumen 4(a) erforderlich ist. Mittels der Verbindungsleitung 15 und der Verteilvorrichtung 17 kann dann ein Teil dieses Abgasmassenstroms über die Verbindungsleitung 15 zu der anderen (zweiten) Abgasturbine 10(b), die insbesondere relativ groß dimensioniert sein kann, geführt werden. Eine entsprechende Steuerung für eine Aktuierung der Verteilvorrichtung 17 ist in der 10 gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Brennraumbank
- 2a
- erste Brennraumbank
- 2b
- zweite Brennraumbank
- 3
- Umgebungsmündung
- 4
- Brennraum
- 4a
- erster Brennraum
- 4b
- zweiter Brennraum
- 5
- Zylinderöffnung
- 6
- Kolben
- 7
- Frischgasstrang
- 7a
- erster Frischgasteilstrang
- 7b
- zweiter Frischgasteilstrang
- 8
- Drosselvorrichtung
- 9
- Abgasstrang
- 9a
- erster Abgasteilstrang
- 9b
- zweiter Abgasteilstrang
- 9c
- Endabschnitt des Abgasstrangs
- 10
- Abgasturbine
- 10a
- erste Abgasturbine
- 10b
- zweite Abgasturbine
- 11
- Getriebe
- 12
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 13
- Saugrohr
- 14
- Abgaskrümmer
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Verdichter
- 17
- Verteilvorrichtung
- 18
- Kupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4719818 [0002]
- US 4445337 [0002]
- DE 102012009049 A1 [0003]
- DE 102008005201 A1 [0004]
- EP 1342894 A1 [0005]
- DE 102012021844 A1 [0006]
