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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 60 998 C1 geht eine Brennkraftmaschine hervor, die insgesamt sechs Zylinder aufweist, von denen fünf Zylinder eine Gruppe von ersten Zylindern bilden, und wobei der verbleibende Zylinder als zweiter Zylinder ausgebildet ist. Es ist eine Verbrennungsluftleitung zur Zufuhr von Verbrennungsluft zu den Zylindern und eine Abgassammelleitung zur Ableitung von Abgas aus den Zylinder vorgesehen. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine eine Abgasrückführleitung auf. Die Zylinder der Gruppe von ersten Zylindern sind unmittelbar mit der Abgassammelleitung fluidverbunden, ohne dass eine Abzweigung zu der Abgasrückführleitung besteht. In einem Fluidpfad des zweiten Zylinders zu der Abgassammelleitung ist eine erste Ventileinrichtung angeordnet, durch die ein von dem zweiten Zylinder emittierter Abgasstrom auf einen ersten, in die Abgassammelleitung strömenden Teilstrom und einen zweiten, in der Abgasrückführleitung zu der Verbrennungsluftleitung strömenden Teilstrom aufteilbar ist. In der Abgasrückführleitung ist eine zweite Ventileinrichtung angeordnet, durch die ein Strömungsquerschnitt der Abgasrückführleitung veränderbar ist.
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Insgesamt wird auf diese Weise ein sogenanntes Spenderzylinderkonzept verwirklicht, bei welchem lediglich das Abgas ausgewählter Zylinder für eine Abgasrückführung verwendet wird, wobei diese Zylinder als Spenderzylinder bezeichnet werden, während das Abgas weiterer Zylinder nicht zur Abgasrückführung herangezogen wird. Das Spenderzylinderkonzept wird insbesondere bei Brennkraftmaschinen angewendet, welche ein positives Spülgefälle aufweisen, was bedeutet, dass ein Druck in der Verbrennungsluftleitung generell größer ist als ein Druck in der Abgassammelleitung. In diesem Fall ist es nötig, das Abgas für eine effiziente Rückführung aufzustauen, um ein negatives Spülgefälle zu erreichen, bei dem der Druck in der Verbrennungsluftleitung kleiner ist als der Abgasdruck. Dies ist jedoch problematisch, weil aufgrund des erhöhten Abgasgegendrucks größere Ladungswechselverluste in den Zylindern auftreten, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sinkt. Es ist daher günstig, wenn der Abgasdruck nicht für alle, sondern nur für ausgewählte Zylinder erhöht wird. Daher wird nur für die Spenderzylinder ein Abgasstrom mithilfe der ersten Ventileinrichtung aufgestaut, um im Bereich der Spenderzylinder ein negatives Spülgefälle herbeizuführen, während die übrigen Zylinder, die nicht zur Abgasrückführung herangezogen werden, ein positives Spülgefälle aufweisen können, sodass der Druck in der Abgassammelleitung hier generell niedriger sein kann als der Druck in der Verbrennungsluftleitung. Hierdurch werden Ladungswechselverluste minimiert. Die zweite Ventileinrichtung dient generell der Einstellung einer Abgasrückführrate, also der Steuerung und/oder Regelung der rückgeführten Abgasmenge. Insgesamt wird der rückgeführte Abgasstrom durch die Stellung sowohl der ersten als auch der zweiten Ventileinrichtung bestimmt.
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Es ist offensichtlich, dass das Aufstauen des Abgases im Bereich der Spenderzylinder mittels der ersten Ventileinrichtung zu einem erhöhten Abgasgegendruck und damit zu Ladungswechselverlusten führt. Zugleich zeigt sich, dass fortwährend strenger werdende Emissionsvorschriften eine Abgasnachbehandlung nötig machen, wobei typischerweise in der Abgassammelleitung stromabwärts der ersten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement, beispielsweise ein Oxidationskatalysator, angeordnet wird. Das Abgasnachbehandlungselement erhöht den Abgasgegendruck in der Abgasleitung für alle Zylinder, sodass für die Spenderzylinder zusätzliche Ladungswechselverluste auftreten, wobei nun auch für die Nicht-Spenderzylinder Ladungswechselverluste aufgrund des Abgasnachbehandlungselements auftreten. Die hier beschriebene, bekannte Anordnung ist daher nachteilig, weil einerseits der erhöhte Abgasdruck im Bereich der Spenderzylinder durch ein passives Element aufgebaut wird, welches keine weitere Funktion aufweist als eben diese Druckerhöhung, während zugleich für alle Zylinder ein zusätzlicher Abgasgegendruck durch das Abgasnachbehandlungselement aufgebaut wird.
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Es zeigt sich ein weiteres: Eine Abgasrückführung, die bei Dieselmotoren im Wesentlichen zur Beeinflussung der Emissionen vorgesehen ist, wird insbesondere bei Gasmotoren auch vorgesehen, um eine Klopfgrenze beziehungsweise Leistungsgrenze zu erweitern. Gasmotoren, insbesondere Magergasmotoren, sind nämlich in ihrer Leistung beziehungsweise in ihrem Verdichtungsverhältnis durch Klopfen beschränkt. Durch die Rückführung von Abgas wird ein erhöhter Inertgasanteil in den Zylindern erreicht, was sich positiv auf die Klopfgrenze auswirkt. Es zeigt sich aber, dass gerade bei Gasmotoren durch die Abgasrückführung unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid mit dem Abgas in die Brennräume der Zylinder zurückgeführt werden. Diese Spezies weisen eine hohe Reaktivität auf, was sich wiederum negativ auf die Klopfgrenze und auf zyklische Schwankungen der Motorleistung auswirkt. Hierdurch wird zumindest ein Teil des an sich positiven Einflusses der Abgasrückführung negativ kompensiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die zumindest einen der genannten Nachteile nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass stromaufwärts der ersten und/oder der zweiten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet ist.
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Ist stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet, erhöht dieses den Abgasgegendruck für den mindestens einen zweiten Zylinder, mithin den Spenderzylinder, zusätzlich zu der ersten Ventileinrichtung. Um ein vorherbestimmtes Druckniveau zu erreichen, kann daher die erste Ventileinrichtung anders ausgebildet und/oder anders angesteuert werden, insbesondere kann ihr Durchtrittsquerschnitt im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine ohne entsprechend angeordnetes Abgasnachbehandlungselement erhöht werden. Der zu Ladungswechselverlusten führende Abgasgegendruck wird so jedenfalls nicht ausschließlich durch ein passives Element ohne weitere Funktion aufgebaut, sondern zumindest auch durch das Abgasnachbehandlungselement, welches zusätzlich einen positiven Effekt auf die Emissionen der Brennkraftmaschine hat. Entsprechend ist es möglich, ein in der Abgassammelleitung stromabwärts der ersten Ventileinrichtung angeordnetes Abgasnachbehandlungselement kleiner auszubilden oder sogar ganz wegzulassen, sodass hier ein verringerter Gegendruck entsteht. Somit wird der mindestens eine erste Zylinder, mithin der mindestens eine Nicht-Spenderzylinder, mit einem geringeren Abgasgegendruck belastet, wodurch für diesen die Ladungswechselverluste sinken, sodass sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht. Die Funktionen, einerseits ein negatives Spülgefälle im Bereich des mindestens einen Spenderzylinders zu gewährleisten und andererseits eine Abgasnachbehandlung vorzusehen, werden somit in positiver Weise zusammengefasst, sodass sich insbesondere in dem Fall, dass kein weiteres Abgasnachbehandlungselement stromabwärts der ersten Ventileinrichtung in der Abgassammelleitung vorgesehen ist, eine Nachbehandlung eines Abgasteilstroms ohne Verbrauchsverschlechterung durch höheren Abgasgegendruck ergibt. Anders betrachtet wird der ohnehin im Bereich des mindestens einen Spenderzylinders aufzubauende Abgasgegendruck sinnvoll zur Abgasnachbehandlung genutzt.
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Eine Anordnung des Abgasnachbehandlungselements stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung wird insbesondere in Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine bevorzugt, die als Dieselmotor ausgebildet ist. Hierbei wirken sich nämlich insbesondere die Vorteile in Zusammenhang mit den Ladungswechselverlusten günstig aus. Dagegen ist es bei einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine weniger relevant, ob das rückgeführte Abgas einen hohen Inertgasanteil umfasst, da sich die Klopfgrenze weniger kritisch gestaltet als bei einem Gasmotor. Ist die Brennkraftmaschine daher als Dieselmotor ausgebildet, ist vorzugsweise nur stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet. Dies schließt nicht aus, dass bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch vor der zweiten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet sein kann. Ebenfalls ist es nicht ausgeschlossen, dass bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, das als Dieselmotor ausgebildet ist, lediglich stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet ist.
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Ist stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet, wird dieses durch das der Verbrennungsluftleitung zugeführte Abgas durchströmt, welches so gereinigt wird. Dies wirkt sich insbesondere bei einem Gasmotor, ganz besonders bei einem Magergasmotor, positiv auf die Klopfgrenze aus. Ganz besonders gilt dies für ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Abgasnachbehandlungselement als Oxidationskatalysator ausgebildet ist, wobei in diesem unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu CO2 und H2O, CO zu CO2 und NO zu NO2 oxidiert werden. Hierdurch wird der Inertgasanteil im Abgas erhöht beziehungsweise reaktive Bestandteile des Abgases werden vermindert, insbesondere oxidiert. Es ergibt sich eine Erweiterung der Klopfgrenze, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine angehoben werden kann. Insbesondere ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis anzuheben und/oder den Zündzeitpunkt nach früh zu verschieben, ohne dass negative Auswirkungen durch Klopfen zu befürchten sind. Durch den erhöhten Inertgasanteil ist es möglich, die Abgasrückführrate zu reduzieren, wodurch sich wiederum geringere Ladungswechselverluste ergeben, und wodurch gegebenenfalls der Kühlbedarf, mithin eine Leistungsaufnahme eines Abgasrückführ-Kühlers gesenkt werden kann.
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Es wird daher ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die Brennkraftmaschine als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet ist, wobei nur stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet ist. Dies schließt nicht aus, dass bei einem anderen Ausführungsbeispiel lediglich stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement angeordnet sein kann. Weiterhin schließt dies nicht aus, dass bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, das als Gasmotor ausgebildet ist, sowohl stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung als auch stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung ein Abgasnachbehandlungselement vorgesehen sein kann. Auch solche Ausführungsbeispiele sind von der Erfindung umfasst.
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Dass der von dem mindestens einen zweiten Zylinder emittierte Abgasstrom aufteilbar ist schließt vorzugsweise ein, dass mittels der ersten Ventileinrichtung der gesamte emittierte Abgasstrom in die Abgassammelleitung geführt oder über die Abgasrückführleitung der Verbrennungsluftleitung zugeführt werden kann. Es wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die erste Ventileinrichtung zusätzlich so ausgebildet ist, dass der Abgasstrom variabel und besonders bevorzugt stufenlos auf die beiden Teilströme aufteilbar ist. Insbesondere ist auf diese Weise möglich, bedarfsgerecht einen variablen Abgasdruck für die Abgasrückführung aufzubauen.
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Mithilfe der zweiten Ventileinrichtung ist der Strömungsquerschnitt der Abgasrückführleitung vorzugsweise kontinuierlich, also stufenlos veränderbar.
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Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine lediglich zwei Zylinder aufweist, von denen ein erster Zylinder nicht zur Abgasrückführung herangezogen wird, während ein zweiter Zylinder als Spenderzylinder dient. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine mehr als zwei Zylinder aufweist, wobei mindestens ein Zylinder als erster Zylinder, also als Nicht-Spenderzylinder, und mindestens ein Zylinder als zweiter Zylinder, mithin als Spenderzylinder ausgebildet ist. Insbesondere ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem eine Gruppe erster Zylinder vorgesehen ist, wobei ein Zylinder als Spenderzylinder ausgebildet ist. Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem eine Gruppe erster Zylinder vorgesehen ist, wobei auch eine Gruppe von mindestens zwei Spenderzylindern vorgesehen ist.
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Schließlich ist es auch möglich, dass bei einem Ausführungsbeispiel eine Anzahl zweiter Zylinder, mithin Spenderzylinder, variabel ist, wobei dies vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass mehr als eine erste Ventileinrichtung vorgesehen ist, wobei verschiedene erste Ventileinrichtungen verschiedenen Zylindern zugeordnet sind. Dabei ist mithilfe der ersten Ventileinrichtungen jeweils eine Fluidverbindung von einem zugeordneten Zylinder zu einer Abgasrückführleitung in einer ersten Funktionsstellung freigebbar und in einer zweiten Funktionsstellung sperrbar, sodass die Zylinder vorzugsweise einzeln bezüglich ihrer Funktion als Spenderzylinder aktiviert oder deaktiviert werden können. Bevorzugt ist ein Durchtrittsquerschnitt der ersten Ventileinrichtungen variabel, wobei besonders bevorzugt ein von einem entsprechenden Zylinder emittierter Abgasstrom stufenlos aufteilbar ist auf einen ersten, in der Abgassammelleitung strömenden Teilstrom und einen zweiten, in der Abgasrückführleitung zu der Verbrennungsluftleitung strömenden Teilstrom.
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Der Abgasdruck in der Abgasrückführleitung im Wesentlichen durch die Stellung der ersten Ventileinrichtung vorgegeben, während eine Stellung der zweiten Ventileinrichtung im Wesentlichen die Abgasrückführrate bestimmt. Vorzugsweise ist/sind die erste und/oder die zweite Ventileinrichtung als Klappe(n) ausgebildet. Daher wird die erste Ventileinrichtung auch als Spenderzylinderklappe bezeichnet, während die zweite Ventileinrichtung auch als Abgasrückführklappe bezeichnet wird. Letztlich wird der tatsächlich rückgeführte Abgasstrom durch die Stellung sowohl der ersten als auch der zweiten Ventileinrichtung bestimmt.
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Es wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Verbrennungsluftleitung eine Verdichteranordnung mit mindestens einem Verdichter aufweist. Dabei mündet die Abgasrückführleitung stromabwärts von mindestens einem Verdichter der Verdichteranordnung in die Verbrennungsluftleitung ein. Es wird also bevorzugt eine Hochdruck-Abgasrückführung verwirklicht, bei welcher das rückgeführte Abgas der verdichteten Verbrennungsluft zugeführt wird. Gerade hierbei ist es wesentlich, dass im Bereich der Spenderzylinder ein negatives Spülgefälle durch Aufstauen des Abgases herbeigeführt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Verdichteranordnung einen Niederdruckverdichter oder einen Hochdruckverdichter umfasst. Vorzugsweise ist dann vorgesehen, dass die Abgasrückführleitung – in Richtung des Verbrennungsluftstroms gesehen – stromabwärts des Hochdruckverdichters in die Verbrennungsluftleitung einmündet.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Abgasrückführleitung stromabwärts des Niederdruckverdichters aber stromaufwärts des Hochdruckverdichters in die Verbrennungsluftleitung einmündet.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass eine Niederdruckabgasrückführung realisiert ist, wobei die Verbrennungsluftleitung entweder keine Verdichteranordnung aufweist, oder die Abgasrückführleitung stromaufwärts der Verdichteranordnung in die Verbrennungsluftleitung einmündet.
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Es wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement als Katalysatorelement ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Abgasnachbehandlungselement als Partikelfilter ausgebildet ist. Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Abgasnachbehandlungselement als Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Dies hat insbesondere bei einer Anordnung des Abgasnachbehandlungselements stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung den Vorteil, dass reaktive Gase, die von dem Abgas umfasst sind, zu reaktionsträgeren, vorzugsweise inerten Gasen aufoxidiert werden. Es ist auch möglich, dass das Abgasnachbehandlungselement als Kombination aus einem Oxidationskatalysator und einem Partikelfilter ausgebildet ist.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, bei welchem das Abgasnachbehandlungselement – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – unmittelbar vor der ersten Ventileinrichtung angeordnet ist. Hierdurch kombinieren sich besonders effektiv die aufstauende Wirkung des Abgasnachbehandlungselements einerseits und der ersten Ventileinrichtung andererseits, wodurch sich die Vorteile der Anordnung in Hinblick auf eine wirksame Aufstauung des Abgases und eine effiziente Abgasnachbehandlung besonders effektiv kombinieren lassen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungselement – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – unmittelbar vor der zweiten Ventileinrichtung angeordnet ist. Hierdurch ist eine besonders bauraumsparende Konfiguration möglich, und es wird zugleich eine effiziente Reinigung des rückgeführten Abgases ermöglicht.
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Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, das sich dadurch auszeichnet, dass ein erstes Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung angeordnet ist, wobei ein zweites Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung angeordnet ist. Hierdurch werden die bereits beschriebenen Vorteile der verschiedenen Anordnungen miteinander kombiniert. Dabei ist vorzugsweise das erste Abgasnachbehandlungselement unmittelbar vor der ersten Ventileinrichtung angeordnet. Das zweite Abgasnachbehandlungselement ist vorzugsweise unmittelbar vor der zweiten Ventileinrichtung angeordnet.
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Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Abgassammelleitung eine Turbinenanordnung mit mindestens einer Turbine aufweist. Vorzugsweise ist die mindestens eine Turbine mit mindestens einem, in der Verbrennungsluftleitung angeordneten Verdichter wirkverbunden, wobei der Verdichter durch die Turbine angetrieben wird. Auf diese Weise wird eine Abgasturbolader-Anordnung realisiert. Die Turbinenanordnung ist vorzugsweise stromabwärts eine Einmündung des Fluidpfads von dem mindestens einen zweiten Zylinder in die Abgassammelleitung angeordnet. Somit kann auch der von den Spenderzylindern in die Abgassammelleitung geführte Teilstrom zum Antrieb der Turbinenanordnung genutzt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Turbinenanordnung eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine aufweist. Vorzugsweise ist die Hochdruckturbine mit einem Hochdruckverdichter in der Verbrennungsluftleitung wirkverbunden, sodass sie diesen antreibt. Die Niederdruckturbine ist vorzugsweise mit einem Niederdruckverdichter in der Verbrennungsluftleitung wirkverbunden, sodass sie diesen antreibt. Auf diese Weise wird eine zweistufige Turbo-Aufladung realisiert.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist im Bereich mindestens einer Turbine der Turbinenanordnung eine Umgehungsleitung vorgesehen, durch welches Abgas um die Turbine herum geleitet werden kann, sodass der in der Umgehungsleitung strömende Abgasstrom die Turbine nicht antreibt. Dabei ist vorzugsweise eine Turbinen-Ventileinrichtung vorgesehen, durch welche der durch die Umgehungsleitung beziehungsweise durch die Turbine strömende Abgasstrom gesteuert und/oder geregelt werden kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist bei mindestens einem Verdichter der Verdichteranordnung vorzugsweise eine Umgehungsleitung vorgesehen, durch welche Verbrennungsluft an dem mindestens einen Verdichter vorbeigeführt werden kann. Dabei ist vorzugsweise eine Verdichter-Ventileinrichtung vorgesehen, durch welche ein durch die Umgehungsleitung beziehungsweise durch den Verdichter strömender Verbrennungsluftstrom gesteuert und/oder geregelt werden kann. Besonders bevorzugt ist eine solche Umgehungsleitung für einen Hochdruckverdichter vorgesehen, wenn die Verdichteranordnung ein Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter aufweist.
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Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie als Dieselmotor ausgebildet ist. Wie bereits angesprochen, wird in diesem Zusammenhang besonders ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem das Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung angeordnet ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, welches als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet ist. Wie bereits ausgeführt, wird in diesem Zusammenhang besonders ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem das Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung angeordnet ist.
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Es wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich durch ein Motorsteuergerät auszeichnet, durch welches die mindestens eine erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung ansteuerbar sind. Vorzugsweise sind die Ventileinrichtungen abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ansteuerbar.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist durch das Motorsteuergerät der mindestens eine erste Zylinder oder mindestens einer der ersten Zylinder abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abschaltbar. Besonders bevorzugt ist es möglich, betriebspunktabhängig eine bestimmte Anzahl der ersten Zylinder, vorzugsweise alle ersten Zylinder, also Nicht-Spenderzylinder abzuschalten. Insbesondere bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem in der Abgassammelleitung kein gemeinsames Abgasnachbehandlungselement für alle Zylinder mehr vorgesehen ist, können auf diese Weise Zylinder, deren Abgas nicht durch ein Abgasnachbehandlungselement geleitet wird, abgeschaltet werden, sodass die Emissionen der Brennkraftmaschine reduziert werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass betriebspunktabhängig lediglich der mindestens eine zweite Zylinder, also der mindestens eine Spenderzylinder oder die Gruppe von Spenderzylindern betrieben wird, dessen beziehungsweise deren Abgas über das Abgasnachbehandlungselement geleitet wird. Werden im Teillastbetrieb Zylinder abgeschaltet, ergibt sich hierdurch zugleich ein besserer Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Das Abgas der aktiven Zylinder ist dann typischerweise heißer, wodurch sich eine verbesserte Abgasnachbehandlung in dem Abgasnachbehandlungselement, insbesondere eine verbesserte Umsetzung in einem Oxidationskatalysator ergibt.
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Schließlich wird eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich durch ein weiteres Abgasnachbehandlungselement, vorzugsweise ein weiteres Katalysatorelement, besonders bevorzugt ein Oxidationskatalysator, auszeichnet, wobei das Abgasnachbehandlungselement in der Abgassammelleitung angeordnet ist. Vorzugsweise ist es stromabwärts der Turbinenanordnung angeordnet, sodass der Abgasdruck stromaufwärts der Turbinenanordnung nicht verringert wird. Das weitere Abgasnachbehandlungselement wirkt sich dann nicht negativ auf die Leistung der Turbinenanordnung aus. Mithilfe des weiteren Abgasnachbehandlungselements ist es möglich, das Abgas aller Zylinder der Brennkraftmaschine nachzubehandeln, falls dies zur Erfüllung von Emissionsvorgaben nötig ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 in schematischer Darstellung. Diese umfasst insgesamt vier Zylinder 3, denen über eine Verbrennungsluftleitung 5 Verbrennungsluft zugeführt wird. Es ist eine Abgassammelleitung 7 zur Ableitung von Abgas aus den Zylindern 3 vorgesehen. Der Begriff „Abgassammelleitung“ wird zuvor, hier und im Folgenden nicht eingeschränkt auf einen Abgaskrümmer verwendet, sondern für den gesamten Teil der Abgasleitung von der Einmündung der von den einzelnen Zylindern 3 kommenden Fluidpfade bis zu mindestens einem nicht dargestellten Auspuff.
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Zwei erste Zylinder 9 stehen unmittelbar mit der Abgassammelleitung 7 in Fluidverbindung. Dabei ist keine Abzweigung zu einer Abgasrückführleitung 11 vorhanden. Insbesondere führen zwei Fluidpfade 13 jeweils von einem der ersten Zylinder 9 zu der Abgassammelleitung 7, ohne dass die Fluidpfade 13 mit der Abgasrückführleitung 11 in anderer Weise als notwendig über die gemeinsame Abgassammelleitung 7 in Fluidverbindung stehen. Das Abgas, welches von den ersten Zylindern 9 ausgestoßen wird, steht daher nicht für eine Abgasrückführung zur Verfügung. Entsprechend werden die ersten Zylinder 9 auch als Nicht-Spenderzylinder bezeichnet.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist zwei zweite Zylinder 15 auf, die als Spenderzylinder ausgebildet sind. Dabei führt jeweils ein Fluidpfad 17 von den zweiten Zylindern 15 zu der Abgasrückführleitung 11, sodass das von den zweiten Zylindern 15 emittierte Abgas über die Abgasrückführleitung 11 zumindest teilweise in die Verbrennungsluftleitung 5 rückgeführt werden kann.
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Es ist ein Fluidpfad 19 vorgesehen, über den die zweiten Zylinder 15 mit der Abgassammelleitung 7 in Fluidverbindung stehen. In dem Fluidpfad 19 ist eine erste Ventileinrichtung 21 angeordnet, durch die ein von den zweiten Zylindern 15 emittierter Abgasstrom aufteilbar ist auf einen ersten, in die Abgassammelleitung 7 strömenden Teilstrom und in einen zweiten, in der Abgasrückführleitung 11 strömenden Teilstrom. Vorzugsweise ist die erste Ventileinrichtung 21 als Klappe, insbesondere als Spenderzylinderklappe ausgebildet. Es ist möglich, über eine Wahl der Funktionsstellung der ersten Ventileinrichtung den Abgasdruck in den Fluidpfaden 17, 19 zu steuern und/oder zu regeln. Vorzugsweise ist die erste Ventileinrichtung 21 durch ein nicht dargestelltes Motorsteuergerät ansteuerbar, wobei ihre Funktionsstellung vorzugsweise stufenlos variierbar ist.
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Ist die erste Ventileinrichtung 21 in einer ersten Funktionsstellung angeordnet, in der eine Fluidverbindung zwischen dem Fluidpfad 19 und der Abgassammelleitung 7 vollständig gesperrt ist, fließt der gesamte von den zweiten Zylindern 15 kommende Abgasstrom durch die Abgasrückführleitung 11. In einer zweiten Funktionsstellung ist eine Fluidverbindung zwischen dem Fluidpfad 19 und der Abgasleitung 7 vorzugsweise durch die ersten Ventileinrichtung 21 vollständig freigegeben. In diesem Fall strömt bevorzugt zumindest ein Großteil des von den zweiten Zylindern 15 emittierten Abgases, vorzugsweise der gesamte Abgasstrom in die Abgassammelleitung 7. Bei einer Anordnung der ersten Ventileinrichtung 21 zwischen der ersten und der zweiten Funktionsstellung wird der von den zweiten Zylindern 15 kommende Abgasstrom vorzugsweise wie bereits beschrieben in den ersten und den zweiten Teilstrom aufgeteilt.
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In der Abgasrückführleitung 11 ist eine zweite Ventileinrichtung 23 angeordnet, durch die ein Strömungsquerschnitt der Abgasrückführleitung 11 vorzugsweise kontinuierlich, also stufenlos veränderbar ist. Bevorzugt ist die zweite Ventileinrichtung 23 als Klappe, insbesondere als Abgasrückführklappe, ausgebildet. Vorzugsweise ist sie durch ein Motorsteuergerät insbesondere betriebspunktabhängig ansteuerbar.
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Es ist möglich, dass die zweite Ventileinrichtung 23 in einer ersten Funktionsstellung vollständig geschlossen ist, sodass kein Abgas durch die Abgasrückführleitung 11 strömen kann. Diese Funktionsstellung wird bevorzugt dann angenommen, wenn die erste Ventileinrichtung 21 vollständig geöffnet ist. In diesem Fall wird der gesamte von den zweiten Zylindern 15 kommende Abgasstrom in die Abgassammelleitung 7 geleitet. In einer zweiten Funktionsstellung ist die zweite Ventileinrichtung 23 vorzugsweise vollständig geöffnet, sodass das Abgas im Wesentlichen ungehindert durch die Abgasrückführleitung 11 strömen kann. Durch Ansteuerung von Funktionsstellungen zwischen der ersten und zweiten Funktionsstellung der zweiten Ventileinrichtung 23 kann eine Abgasrückführrate insbesondere bei festgehaltener Funktionsstellung der ersten Ventileinrichtung 21 variiert werden. Besonders bevorzugt werden die erste Ventileinrichtung 21 und die zweite Ventileinrichtung 23 gemeinsam betriebspunktabhängig von einem Motorsteuergerät angesteuert, wobei ihre Funktionsstellungen aufeinander abgestimmt werden, um einerseits einen Druck in der Abgasrückführleitung 11 stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 23 und andererseits eine Abgasrückführrate einzustellen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist in dem Fluidpfad 19 stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung 21, insbesondere unmittelbar vor derselben ein Abgasnachbehandlungselement 25 angeordnet, welches bevorzugt als Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Durch das Abgasnachbehandlungselement 25 wird das Abgas zusätzlich zu der ersten Ventileinrichtung 21 aufgestaut, um ein negatives Spülgefälle für eine effiziente Abgasrückführung in die Verbrennungsluftleitung 5 aufzubauen. Der in diesem Bereich aufgebaute Druck wird also nicht ausschließlich durch die erste Ventileinrichtung 21 und somit durch ein passives Element ausgebildet, sondern er wird zugleich sinnvoll zur Abgasnachbehandlung genutzt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist kein weiteres Abgasnachbehandlungselement in der Abgassammelleitung 7 mehr vorgesehen, weil bereits das erste Abgasnachbehandlungselement 25 ausreicht, damit die Brennkraftmaschine 1 insgesamt die anzuwendenden Emissionsgrenzwerte erfüllt. Damit ist der Abgasgegendruck für die ersten Zylinder 9 geringer als bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine, welche ein Abgasnachbehandlungselement in der Abgassammelleitung 7 aufweist. Auf diese Weise können Ladungswechselverluste minimiert werden. Der hier durch das erste Abgasnachbehandlungselement 25 aufgebaute Abgasdruck ist im Bereich der zweiten Zylinder 15 ohnehin erforderlich, sodass an dieser Stelle keine zusätzlichen Ladungswechselverluste durch Abgasnachbehandlung entstehen.
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Insbesondere wenn das erste Abgasnachbehandlungselement 25 als Oxidationskatalysator ausgebildet ist, ist vorzugsweise kein weiterer Oxidationskatalysator in der Abgassammelleitung 7 vorgesehen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist es allerdings möglich, dass in der Abgassammelleitung 7 beispielsweise ein Partikelfilter oder ein anderes, zusätzliches Abgasnachbehandlungselement, beispielsweise ein selektiver Katalysator zur Stickoxid-Reduktion vorgesehen ist.
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Es ist auch möglich, dass das erste Abgasnachbehandlungselement 25 als kombinierter Oxidationskatalysator mit Partikelfilter beziehungsweise als Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung ausgebildet ist. In diesem Fall ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem in der Abgasleitung 7 weder ein Oxidationskatalysator noch ein Partikelfilter vorgesehen ist. Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, in dem keinerlei Abgasnachbehandlungselement in der Abgassammelleitung 7 vorgesehen ist.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zweites Abgasnachbehandlungselement 27 in der Abgasrückführleitung 11 stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 23, insbesondere unmittelbar vor der zweiten Ventileinrichtung 23 angeordnet. Das zweite Abgasnachbehandlungselement 27 ist vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das zweite Abgasnachbehandlungselement 27 als Partikelfilter ausgebildet ist. Mit Hilfe des zweiten Abgasnachbehandlungselementes 27 wird das in die Verbrennungsluftleitung 5 rückgeführte Abgas gereinigt, insbesondere werden reaktive Gase wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide zu inerten Gasen wie Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoffdioxid aufoxidiert. Durch den erhöhten Inertgasanteil in dem rückgeführten Abgas wird eine Klopfgrenze der Brennkraftmaschine 1 erweitert. Ist das zweite Abgasnachbehandlungselement 27 alternativ oder zusätzlich als Partikelfilter ausgebildet, wird auch eine Konzentration von Partikeln in dem rückgeführten Abgas herabgesetzt.
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Vorzugsweise ist in der Abgasrückführleitung 11 eine Abgasrückführ-Kühleinrichtung 29 angeordnet, mit deren Hilfe das in die Verbrennungsluftleitung 5 rückgeführte Abgas gekühlt werden kann.
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In der Verbrennungsluftleitung 5 ist eine Verdichteranordnung 31 angeordnet, die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Niederdruckverdichter 33 und einen Hochdruckverdichter 35 aufweist. Es ist daher möglich, die in der Verbrennungsluftleitung 5 strömende Verbrennungsluft in zwei Stufen zu verdichten. Dabei ist eine Umgehungsleitung zur Umgehung des Hochdruckverdichters 35 vorgesehen, beziehungsweise bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hochdruckverdichter 35 in einer Umgehungsleitung 37 angeordnet. Es ist eine Verdichter-Ventileinrichtung 39 vorgesehen, durch die vorzugsweise betriebspunktabhängig und besonders bevorzugt angesteuert durch das Motorsteuergerät ein durch den Hochdruckverdichter 35 strömender Teil der Verbrennungsluft gesteuert und/oder geregelt werden kann. Stromaufwärts des Hochdruckverdichters 35 ist ein erster Verbrennungsluftkühler 41 angeordnet, durch welchen die in dem Niederdruckverdichter 33 verdichtete und damit erwärmte Verbrennungsluft vor Eintritt in den Hochdruckverdichter 35 gekühlt werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Verbrennungsluftkühler 41 ebenfalls in der Umgehungsleitung 37 angeordnet. Stromabwärts sowohl des Niederdruckverdichters 33 als auch des Hochdruckverdichters 35 und insbesondere auch stromabwärts der Verdichterventileinrichtung 39 ist ein zweiter Verbrennungsluftkühler 43 angeordnet, in welchem die verdichtete Verbrennungsluft insgesamt gekühlt werden kann. Hierdurch ist es möglich, eine Füllung der Zylinder 3 zu erhöhen.
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Die Abgasrückführleitung 11 mündet – in Richtung des Verbrennungsluftstroms gesehen – stromabwärts des Hochdruckverdichters 35, also hochdruckseitig, in die Verbrennungsluftleitung 5 ein. Es wird demnach bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 eine Hochdruck-Abgasrückführung verwirklicht.
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In der Abgassammelleitung 7 ist eine Turbinenanordnung 45 mit einer Hochdruckturbine 47 und einer Niederdruckturbine 49 angeordnet. Die Hochdruckturbine 47 ist vorzugsweise über eine Welle 51 mit dem Hochdruckverdichter 35 wirkverbunden, um diesen anzutreiben. Die Niederdruckturbine 49 ist vorzugsweise über eine Welle 53 mit dem Niederdruckverdichter 33 wirkverbunden, um diesen anzutreiben. Insgesamt wird so eine zweistufige Turboaufladung realisiert.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Turbinen-Ventileinrichtungen 55, 57 in Umgehungsleitungen 59, 61 angeordnet, wobei die Turbinen-Ventileinrichtungen vorzugsweise durch ein Motorsteuergerät insbesondere betriebspunktabhängig ansteuerbar sind, um bedarfsgerecht zumindest einen Teil des Abgasstroms an der Hochdruckturbine 47 und/oder an der Niederdruckturbine 49 vorbeileiten zu können.
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Der Fluidpfad 19 mündet stromaufwärts der Turbinenanordnung 45 in die Abgassammelleitung 7 ein. Insbesondere wird das in die Abgasrückführleitung 11 eingeleitete Abgas stromaufwärts der Turbinenanordnung 45 den Fluidpfaden 17 entnommen, also auf einer Hochdruckseite des Abgasstrangs.
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Werden durch ein Motorsteuergerät betriebspunktabhängig die ersten Zylinder 9 abgeschaltet, sind nur noch die zweiten Zylinder 15 aktiv, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 im Teillastbetrieb erhöht wird. Zudem wird in diesem Fall das gesamte in die Abgasleitung 7 eingeleitete Abgas durch das erste Abgasnachbehandlungselement 25 geleitete, sodass sich bei dieser Betriebsweise besonders günstige Emissionswerte der Brennkraftmaschine 1 ergeben. Zugleich ist das Abgas heißer, als wenn im gleichen Lastpunkt alle Zylinder 3 betrieben würden, sodass sich eine bessere Nachbehandlung in dem Abgasnachbehandlungselement 25 ergibt. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine 1 aus.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, dass hier eine Zahl der Spenderzylinder variabel ist. Es ist lediglich ein erster Zylinder 9 vorgesehen, der über den Fluidpfad 13 unmittelbar ohne Abzweigung zu der Abgasrückführleitung 11 mit der Abgassammelleitung 7 in Fluidverbindung steht. Die übrigen Zylinder 15/1, 15/2, 15/3 sind über Fluidpfade 17/1, 17/2, 17/3 beziehungsweise 19/1, 19/2, 19/3 jeweils mit ersten Ventileinrichtungen 21/1, 21/2, 21/3 verbunden, durch die der von den Zylindern 15/1, 15/2, 15/3 kommende Abgasstrom jeweils entweder in die Abgassammelleitung 7 oder in die Abgasrückführleitung 11 einleitbar ist. Vorzugsweise sind auch insbesondere stufenlos einstellbare Zwischenstellungen möglich, mit denen die Abgasströme in entsprechende Teilströme aufteilbar sind. Vorzugsweise ist es möglich, die Anzahl der Spenderzylinder betriebspunktabhängig einzustellen. Beispielsweise ist es in einem Betriebszustand möglich, dass nur der Zylinder 15/1 als Spenderzylinder arbeitet, während das Abgas der Zylinder 15/2 und 15/3 vollständig in die Abgassammelleitung 7 geleitet wird. Die Zylinder 15/2 und 15/3 können bedarfsgerecht unabhängig voneinander oder gemeinsam als Spenderzylinder zugeschaltet werden. Es ist auch ein Betriebszustand möglich, in dem keiner der Zylinder 15/1, 15/2, 15/3 als Spenderzylinder fungiert.
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Jedem der Zylinder 15/1, 15/2, 15/3 ist stromaufwärts der Ventileinrichtung 21/1, 21/2, 21/3 ein erstes Abgasnachbehandlungselement 25/1, 25/2, 25/3 zugeordnet.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Abgassammelleitung 7 ein weiteres Abgasnachbehandlungselement 63 angeordnet. Dieses kann als Oxidationskatalysator, als Partikelfilter oder als kombinierter Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass das weitere Abgasnachbehandlungselement 63 als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, welches im übrigen gemäß 2 ausgebildet ist, jedoch kein weiteres Abgasnachbehandlungselement 63 umfasst.
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Insgesamt zeigt sich, dass die Brennkraftmaschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel einen im Bereich von Spenderzylindern ohnehin aufzubauenden Abgasdruck vorteilhaft zur Abgasnachbehandlung nutzt und so erniedrigte Ladungswechselverluste und somit einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird gereinigtes Abgas in die Verbrennungsluftleitung 5 zurückgeführt, sodass die Klopfgrenze der Brennkraftmaschine 1 erweitert ist. Dabei wird insbesondere ein Inertgasanteil im rückgeführten Abgas erhöht. Es zeigt sich auch, dass diese Ausführungsbeispiele vorteilhaft miteinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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