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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung, insbesondere einer Verbrennungsmotoranordnung. Die Erfindung betrifft zudem eine Steuervorrichtung zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung, eine Verbrennungsmaschinenanordnung, insbesondere eine Verbrennungsmotoranordnung, ein Fahrzeug, ein computerimplementiertes Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, einen computerlesbaren Datenträger und ein Datenträgersignal.
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Im Zusammenhang mit Verbrennungsmaschinenanordnungen, insbesondere Verbrennungsmotoranordnungen, und deren Anwendungen werden üblicherweise Speicherkatalysatoren zum Speichern von schädlichen Abgaskomponenten verwendet. Hierbei können beispielsweise Stickoxide während der Verbrennung magerer Abgas-Luft-Gemische in einem Stickoxid-Speicherkatalysator (LNT - Lean-NOx Trap) gespeichert werden. Die Katalysatoren müssen regelmäßig regeneriert bzw. gespült werden, insbesondere wenn ihre Speicherkapazität erreicht ist oder fast erreicht ist. Hierbei wird im Falle von Stickoxid das gespeicherte Stickoxid während eines fetten Abgas-Luft-Gemisches und/oder bei erhöhten Temperaturen freigesetzt. Die Stickoxide werden anschließend katalytisch zu Stickstoff im Rahmen eines Prozesses reduziert, welcher als Regeneration bezeichnet wird und für welchen bestimmte Reduktionsmittel erforderlich sind, beispielsweise Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und wobei höhere Temperaturen als die üblichen Abgastemperaturen erforderlich sind. Mithilfe von elektronisch gesteuerten Abgas/Luftsystemen ist es möglich das Luft-Kraftstoff-Gemisch regelmäßig anzureichern um die Regeneration zu begünstigen. Darüber hinaus helfen Betriebsbedingungen unter hoher Last die erforderliche Betriebstemperatur während einer Regeneration zu erzielen und damit die Regeneration so effizient wie möglich zu gestalten. Zusätzlich oder alternativ dazu kann Kraftstoff direkt in das Abgassystem injiziert bzw. eingespritzt werden um eine entsprechende Anreicherung und die zur Freisetzung und Regeneration erforderlichen hohen Temperaturen zu realisieren.
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Die beschriebenen Regenerationsstrategien erfordern eine bestimmte Flussrate des Gases durch das Abgassystem um einen effektiven und schnellen Spülprozess zu garantieren. Allerdings liegen diese Betriebs Bedingungen oftmals nicht vor oder sind zu dem Zeitpunkt, in welchem eine Regeneration erforderlich ist, nicht erwünscht, zum Beispiel wenn die Verbrennungsmaschine bei sehr geringer Last betrieben wird oder ausgeschaltet ist.
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In dem Dokument
US 2018/0202353 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung eines elektrisch betriebenen Turboladers für einen Verbrennungsmotor beschrieben. In den Dokumenten
DE10 2017 129 851 A1 und
DE 10 2017 130 179 A1 werden Systeme und Verfahren für ein geteiltes Abgasbrennkraftmaschinensystem beschrieben.
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Vor dem eingangs beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung gemäß Patenanspruch 1, eine Steuervorrichtung zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung gemäß Patenanspruch 7, eine Verbrennungsmaschinenanordnung gemäß Patenanspruch 8, ein Fahrzeug gemäß Patenanspruch 11, ein computerimplementiertes Verfahren gemäß Patenanspruch 12, ein Computerprogrammprodukt gemäß Patenanspruch 13, einen computerlesbaren Datenträger gemäß Patenanspruch 14 und ein Datenträgersignal gemäß Patenanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung betrifft eine Verbrennungsmaschinenanordnung, vorzugsweise eine Verbrennungsmotoranordnung, welche eine Verbrennungsmaschine, zum Beispiel einen Verbrennungsmotor, mit einem Einlasskrümmer, einem Auslasskrümmer und einem Abgasrückführungsströmungskanal, zum Beispiel einen Hochdruckabgasrückführungsströmungskanal, welcher den Auslasskrümmer strömungstechnisch mit dem Einlasskrümmer verbindet, eine Turbinen-Generator-Anordnung mit einem Generator und einer Turbine, welche stromabwärts des Auslasskrümmers angeordnet ist, und mindestens eine stromabwärts der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: In einem ersten Schritt wird eine Anforderung zum Regenerieren der Abgasnachbehandlungsvorrichtung empfangen. In einem weiteren Schritt wird Luft mittels der Turbine, welche durch den als Elektromotor betriebenen Generator angetrieben wird, angesaugt und durch den Abgasrückführungsströmungskanal zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung geleitet.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mittels der angesaugten Luft regeneriert werden. Insbesondere kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung mittels der angesaugten Luft regeneriert werden während die Verbrennungsmaschine ausgeschaltet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ein Spülen und Regenerieren von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen prinzipiell zu beliebigen Zeitpunkten und unter beliebigen Betriebsbedingungen der Verbrennungsmaschine durchgeführt werden können, da die Turbine unabhängig von der Verbrennungsmaschine betrieben werden kann. Insbesondere kann eine Regeneration auch während eines ausgeschalteten Zustandes der Verbrennungsmaschine durchgeführt werden.
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Vorzugsweise wird eine mittels des Generators aufladbare Batterie zum Betrieb des Generators als Elektromotor zum Antreiben der Turbine verwendet. Weiterhin kann die Verbrennungsmaschinenanordnung einen elektrisch angetriebenen Kompressor umfassen, welcher stromaufwärts des Einlasskrümmers angeordnet ist und zum Ansaugen von Luft verwendet wird. Dabei kann eine mittels des Generators aufladbare Batterie zum Betrieb des Kompressors verwendet werden.
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Die Verwendung einer Turbinen-Generator-Anordnung hat zudem den Vorteil, dass mittels des Generators, welcher durch die Turbine angetrieben wird, eine Batterie geladen werden kann, welche ihrerseits die zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kompressors erforderliche elektrische Energie zur Verfügung stellen kann. Vorzugsweise wird daher eine mittels des Generators aufladbare Batterie zum Betrieb des Generators als Elektromotor zum Antreiben der Turbine und/oder zum Betrieb des Kompressors verwendet.
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Durch den Betrieb des Generators als Elektromotor kann die Turbine unabhängig von einem Abgasstrom angetrieben werden, sodass sehr schnell eine große Menge an Luft zu dem Abgasnachbehandlungssystem geleitet werden kann. Dabei kann die Turbine eine höhere Drehzahl als beim normalen Betrieb aufweisen, wenn sie mittels des Generators angetrieben wird. Entsprechend wird durch die Turbine mehr Gas, insbesondere Luft, zu dem Abgasnachbehandlungssystem transportiert. Es ist also eine höhere Sauerstoff-Flussrate verfügbar. Weiterhin kann Brennstoff nacheingespritzt werden, um das Gemisch anzureichern und erforderliche zusätzliche Wärme zum Spülen und Regenerieren des Systems zu erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung hat insgesamt den Vorteil, dass ein Spülen und Regenerieren der Abgasnachbehandlungsanordnung auf effiziente Weise möglich ist, auch wenn die Verbrennungsmaschine ausgeschaltet ist. Hierzu ist lediglich ein üblicherweise vorhandener Abgasrückführungsströmungskanal, vorzugsweise in Form eines Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanals erforderlich, welcher im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in entgegengesetzter Richtung als im Zusammenhang mit einer Abgasrückführung von Luft durchströmt wird.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zum Betrieb einer Verbrennungsmaschinenanordnung, insbesondere einer Verbrennungsmotoranordnung, welche eine Verbrennungsmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor, mit einem Einlasskrümmer, einem Auslasskrümmer und einem Abgasrückführungsströmungskanal, vorzugsweise in Form eines Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanals, welcher den Auslasskrümmer strömungstechnisch mit dem Einlasskrümmer verbindet, eine Turbinen-Generator-Anordnung mit einem Generator und einer Turbine, welche stromabwärts des Auslasskrümmers angeordnet ist, und mindestens eine stromabwärts der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst, ist zur Durchführung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung, insbesondere einer Verbrennungsmotoranordnung, umfasst eine Verbrennungsmaschine, zum Beispiel einen Verbrennungsmotor, mit einem Einlasskrümmer, einem Auslasskrümmer und einem Abgasrückführungsströmungskanal, vorzugsweise in Form eines Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanals, welcher den Auslasskrümmer strömungstechnisch mit dem Einlasskrümmer verbindet. Die Verbrennungsmaschinenanordnung umfasst zudem eine Turbinen-Generator-Anordnung mit einem Generator und einer Turbine, welche stromabwärts des Auslasskrümmers angeordnet ist, und mindestens eine stromabwärts der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Die Verbrennungsmaschinenanordnung umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Steuervorrichtung und/oder ist dazu ausgelegt gemäß eines beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben zu werden.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung und die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung haben die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Merkmale und Vorteile.
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Vorzugsweise umfasst die Verbrennungsmaschinenanordnung einen elektrisch angetriebenen Kompressor zum Ansaugen von Luft, welcher stromaufwärts des Einlasskrümmers angeordnet ist und mit dem Generator zur Übertragung elektrischer Energie, zum Beispiel über eine Batterie, verbunden ist. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann einen Brennstoffinjektor und/oder eine Zündeinrichtung umfassen. Der Abgasrückführungsströmungskanal kann einem Abgaskühler umfassen.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung, insbesondere in Form einer Verbrennungsmotoranordnung. Das Fahrzeug hat die bereits beschriebenen Vorteile. Es kann sich bei dem Fahrzeug um ein Kraftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Schiff handeln. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Bus, einen Kleinbus, ein Motorrad oder ein Moped handeln. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Hybridfahrzeug (HEV - hybrid electric vehicle) handeln.
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Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Auf dem erfindungsgemäßen computerlesbaren Datenträger ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt gespeichert. Das erfindungsgemäße Datenträgersignal überträgt das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt. Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren, das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäße computerlesbare Datenträger und das erfindungsgemäße Datenträgersignal haben die oben bereits genannten Merkmale und Vorteile.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung in Form einer Verbrennungsmotoranordnung während eines normalen Betriebs.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung in Form einer Verbrennungsmotoranordnung während eines erfindungsgemäßen Betriebs.
- 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms.
- 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
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Die 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungsmaschinenanordnung in Form einer Verbrennungsmotoranordnung während eines normalen Betriebs. Die 2 zeigt die in der 1 gezeigte Verbrennungsmotoranordnung während eines erfindungsgemäßen Betriebs. Die Verbrennungsmotoranordnung 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 mit einer Anzahl an Zylindern 3, zum Beispiel vier Zylindern, einen Einlasskrümmer 4 und einen Abgaskrümmer oder Auslasskrümmer 5.
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Der Einlasskrümmer 4 umfasst einen Einlass 6. Stromaufwärts des Einlasses 6 ist ein elektrisch angetriebener Kompressor 7 zum Einleiten von komprimierter Luft in den Einlass 6 angeordnet. Die Strömungsrichtung der Luft ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 8 gekennzeichnet. Eine Batterie zum Betreiben des Kompressors 7 ist mit der Bezugsziffer 9 gekennzeichnet. Der Auslasskrümmer 5 umfasst einen ersten Auslass 11 und einen zweiten Auslass 12. Der zweite Auslass 12 ist mit dem Einlass 6 des Einlasskrümmers 4 über einen Abgasrückführungsströmungskanal 13 strömungstechnisch verbunden. Der Abgasrückführungsströmungskanal 13 ist vorzugsweise als Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanal ausgestaltet. Optional kann der Abgasrückführungsströmungskanal 13 einen Abgaskühler 14 umfassen.
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Der erste Auslass 11 des Auslasskrümmers 5 ist mit einer Turbine 15 strömungstechnisch verbunden und über die Turbine 15 mit einem Abgasströmungskanal 16 strömungstechnisch verbunden. Der Abgasströmungskanal 16 umfasst mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet.
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Die Turbine 15 ist mit einem Generator 19 verbunden, wobei die Turbine 15 zum Antreiben des Generators 19 ausgelegt ist. Der Generator 19 ist dazu ausgelegt die Batterie 9 zu laden. Mittels der Batterie 9 können sowohl der Kompressor 7, als auch die Turbine 15 angetrieben werden.
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Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 kann in dem Abgasströmungskanal 16 eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung bzw. ein Brennstoffinjektor 20 und optional eine Zündvorrichtung 21 angeordnet sein.
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Die Verbrennungsmotoranordnung 1 umfasst weiterhin eine Steuervorrichtung 22, welche zur Signalübertragung 23 mit dem Generator 19 und/oder der Turbine 15 oder und der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17, sowie optional mit dem Kompressor 7 und/oder dem Brennstoffinjektor 20 und/oder der Zündvorrichtung 21 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 22 ist dazu ausgelegt ein, erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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In der 1 ist der Betrieb der Verbrennungsmotoranordnung 1 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 2 gezeigt. Dabei wird Luft 8 mittels des Kompressors 7 angesaugt und mit über den Abgasrückführungsströmungskanal 13 zurückgeführtem Abgas vermischt und in den Einlass 6 geleitet. Nicht zurückgeführtes Abgas wird aus dem Auslasskrümmer 5 durch den ersten Auslass 11 über die Turbine 15 in den Abgasströmungskanal 16 geleitet und mittels der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 von unerwünschten Emissionen gereinigt.
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Der erfindungsgemäße Betrieb der Verbrennungsmotoranordnung 1 im Zusammenhang mit einer Spülung und Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 ist in der 2 gezeigt. Dabei ist der Verbrennungsmotor 2 ausgeschaltet und es wird Luft mittels der Turbine 15, welcher mittels des als Elektromotor betriebenen Generators 19 angetrieben wird, und optional mittels des Kompressors 7 angesaugt und über den Abgasrückführungsströmungskanal 13 durch den zweiten Auslass 12 in den Abgaskrümmer 5 geleitet. Anschließend wird die Luft aus dem Abgaskrümmer 5 durch den ersten Auslass 11 über die Turbine 15 in den Abgasströmungskanal 16 weitergeleitet, dort mittels des Brennstoffinjektors 20 mit Brennstoff bzw. Kraftstoff angereichert und anschließend zur Spülung und Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 genutzt.
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Die 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms. In einem ersten Schritt 31 eine Anforderung zum Regenerieren der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 von der Steuereinrichtung 22 empfangen. Zur Durchführung der Regeneration wird bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 2 Luft mittels der Turbine 15, optional zusätzlich mittels des Kompressors 7, angesaugt und durch den Abgasrückführungsströmungskanal, also in entgegengesetzter Strömungsrichtung zu der Abgasströmungsrichtung, wie in der 2 gezeigt, zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 geleitet. Die Turbine 15 wird dabei mittels des als Elektromotor betriebenen Generators 19 angetrieben. Dazu kann der Generator 19 mittels der Batterie 9 als Elektromotor angetrieben werden. Optional kann der Kompressor 7 mittels der Batterie 9 elektrisch angetrieben werden. Auf diese Weise kann ein hoher Luftmassenfluss und damit eine schnelle und effiziente Regeneration erreicht werden. In Schritt 33 wird die Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 17 durchgeführt.
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Die 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug. Das Fahrzeug 10 umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotoranordnung
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Zylinder
- 4
- Einlasskrümmer
- 5
- Abgaskrümmer/Auslasskrümmer
- 6
- Einlass
- 7
- elektrisch angetriebener Kompressor
- 8
- Strömungsrichtung der Luft
- 9
- Batterie
- 10
- Fahrzeug
- 11
- erster Auslass
- 12
- zweiter Auslass
- 13
- Abgasrückführungsströmungskanal
- 14
- Abgaskühler
- 15
- Turbine
- 16
- Abgasströmungskanal
- 17
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 18
- Strömungsrichtung des Abgases
- 19
- Generator
- 20
- Brennstoffinjektor
- 21
- Zündvorrichtung
- 22
- Steuervorrichtung
- 23
- Signalübertragung
- 31
- Anforderung zum Regenerieren der Abgasnachbehandlungsvorrichtung empfangen
- 32
- Ansaugen von Luft mittels der Turbine und Leiten der Luft durch den Abgasrückführungsströmungskanal zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 33
- Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0202353 A1 [0004]
- DE 102017129851 A1 [0004]
- DE 102017130179 A1 [0004]
