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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft,
insbesondere zur Verdichtung von Verbrennungsluft für eine kraftfahrzeugtechnische
Verbrennungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der
Technik
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Es
ist bekannt, die Leistungsdichte einer Brennkraftmaschine durch
Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigten Ladeluft
mittels eines Abgasturboladers zu erhöhen. Der Abgasturbolader weist
dabei eine Turbine auf, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors
angeordnet ist und einen, in der Ladeluftzuführung der Brennkraftmaschine
angeordneten Verdichter betreibt.
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Zur
Verbesserung der Ladeluftzuführung speziell
bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist es bekannt,
den Abgasturbolader mittels eines elektrischen Hilfsantriebes zu
unterstützen.
Dies kann beispielsweise durch einen in den Abgasturbolader integrierten
Elektromotor erreicht werden, der bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine die
Welle des Abgasturboladers unterstützend antreibt. Dies bedingt
jedoch sowohl eine hohe Drehzahlbelastbarkeit des Elektromotors,
als auch einen hohen elektrischen Leistungsbedarf, der dem Bordnetz
entnommen werden muss.
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Aus
der
US 6,029,452 ist
darüber
hinaus ein separater, rein elektrisch betriebener Hilfslader (elektrischer
Zusatzverdichter, "EZV") bekannt, der in
der Ladeluftzuführung
einer Brennkraftmaschine in Reihe zu einem konventionellen Abgasturbolader
betrieben wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der separat
in der Ladeluftzuführung eingesetzte
elektrische Zusatzverdichter auf einen Einsatz im untersten Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine optimiert werden kann.
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Das
durch die strömungsmechanischen
Effekte des „Pumpens" begrenzte Kennfeld
eines Verdichters in der Bauform einer Strömungsmaschine eignet sich ohne
besondere bauliche Maßnahmen
jedoch nur für
ein begrenztes Massenstromband der zu verdichtenden Luft. Zum Stand
der Technik bezüglich der
Erweiterung des Arbeitskennfeldes von Strömungsverdichtern gehören beispielsweise,
stromauf bzw. stromab der Laufzeuge des Verdichters angeordnete
Leitapparate, sowie entsprechende Regelstrategien zur Erkennung
der Kennfeldgrenzen.
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Stellglieder
jeglicher Art erhöhen
dabei nachteilig den Strömungswiderstand
bzw. den Druckverlust zwischen Ein- und Austritt der Verdichterkomponente,
wenn sie durchströmt
werden.
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So
beschreibt die
EP 0
366 219 A2 beispielsweise einen Regelmechanismus zum Schutz
vor dem Phänomen
des sogenannten "Pumpens" eines Strömungsverdichters,
der instationär
veränderlich beaufschlagt
wird.
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Die
US 6,324,848 B1 offenbart
die prinzipielle Anordnung eines zweistufigen Verdichtersystems, welches
mit diversen Bypasseinrichtungen und schaltbaren Ventilen versehen
ist, um das sogenannte "Pumpen" der einzelnen Stufen
jeweils zu vermeiden. Eine detaillierte Steuerung dient dabei der
kontrollierten Betätigung
einer Vielzahl von Ventilen.
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Nachteilig
bei den aus dem Stand der Technik bekannten Strategien zur Vermeidung
der Pumpneigung eines Strömungsverdichters
ist insbesondere deren großer
Aufwand und die Komplexität
der beschriebenen Systeme, die zwangsläufig eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit
des Gesamtsystems nach sich zieht.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde,
eine Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft, insbesondere einen
Strömungsverdichter,
mit einfachen Mitteln vor der Pumpneigung zu schützen und somit eine Erweiterung
seines Arbeitskennfeldes zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft, insbesondere zur Verdichtung
von Verbrennungsluft für
eine kraftfahrzeugtechnische Verbrennungsmaschine, mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat gegenüber
entsprechenden Systemen des Standes der Technik den Vorteil, dass
das Arbeitskennfeld mit einfachen Mitteln erweitert und der Strömungsverdichter
somit vor der Pumpneigung geschützt
werden kann. Erfindungsgemäß ist dabei
in der Vorrichtung abstromseitig des Verdichters ein Überdruckventil,
insbesondere ein selbstbetätigendes Überdruckventil,
vorgesehen, welches während
des Nennbetriebes, d.h. oberhalb der „Pumpgrenze" sowie unterhalb
der „Stopfgrenze", des Verdichters
geschlossen ist.
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Das
Ventil verursacht in diesem Zustand lediglich Strömungsverluste,
die auf die zur Applikation notwendigen Abzweigungsstücke der
Verbindungsleitungen zurückzuführen sind.
Ist das Überdruckventil
geöffnet
bzw. die Pumpgrenze der Strömungsmaschine
unterschritten, steht jedoch der maximal erzeugbare Druck am Druckstutzen
des Verdichters an. Für
die Aufladung des Verbrennungsmotors bedeutet dies, dass unterhalb
der Pumpgrenze stets der maximal erzeugbare Ladedruck für den Verbrennungsmotor
zur Verfügung
steht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden
durch die in den Unteransprüchen
enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft ist das Überdruckventil parallel zum
Strömungsverdichter
angeordnet. Ein derart angeordnetes Überdruckventil verbindet die
Druck- und Saugseite der Strömungsmaschine
miteinander und ermöglicht
somit ab einem definierten Grenzdruck ein Rückströmen des Arbeitsfluids. Unterschreitet der
von der Strömungsmaschine
abgenommene Volumenstrom die Pumpgrenze der Maschine, öffnet das
geeignet gewählte Überdruckventil
und erlaubt somit ein definiertes Rückströmen des Arbeitsfluids. Der
sich aufbauende Überdruck
kann somit bedarfsgerecht auf das maximal zulässige Maß reduziert werden, ohne dass
ein Pumpen des Verdichters eintreten kann. Die Pumpgrenze des Strömungsverdichters
kann mit Hilfe des Überdruckventils
bis hin zum verschwindenden Massenstrom unterschritten werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Überdruckventil
derart beschaltet, dass das Arbeitsfluid, welches das Überdruckventil
durchströmt,
in die Umgebung abströmt.
Diese Variante ist besonders vorteilhaft, wenn es wegen der dauerhaften Öffnung des Überdruckventils
zu einer fortlaufenden Erwärmung
des ansonsten im Kreis geförderten
Arbeitsfluids käme. In
vorteilhafter Weise ist bei dieser Ausführungsform ein Messgerät, beispielsweise
ein Sensor, zur Erfassung des Luftmassenstroms stromab der entsprechenden
Anordnung angebracht, um den in dieser Variante der Vorrichtung
auftretenden Massenstromdefekt im Luftkreislauf zu detektieren und
quantifizieren.
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In
vorteilhafter Weise ist der mindestens eine Strömungsverdichter als ein elektrisch
angetriebener Ladeluftverdichter ausgebildet, der es ermöglicht,
die Drehzahl des Verdichters unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors
zu steuern.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist in einer weiteren Ausführungsform
neben einem elektrisch angetriebenen Ladeluftverdichter auch einen Verdichter
in Form eines Abgasturboladers auf. Dabei ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
der elektrisch angetriebene Zusatzverdichter dem Abgasturbolader
vorgeschaltet, um den Nachteil eines verzögerten und unzureichenden Ansprechverhaltens
des Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
("Turboladerloch") entgegen zu wirken.
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In
einer derartigen Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Überdruckventil zwischen
dem mindestens einen elektrisch angetriebenen Strömungsverdichter
und dem weiteren Verdichter angeordnet.
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Das Überdruckventil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist derart ausgestaltet, dass es bei einem vorgebbaren Druck öffnet. Die
Pumpgrenze des Strömungsverdichters
kann somit mit Hilfe des Überdruckventils
bis hin zum verschwindenden Massenstrom unterschritten werden. Ist
das Überdruckventil
geöffnet
bzw. die Pumpgrenze der Strömungsmaschine
unterschritten, steht dennoch der maximal erzeugbare Druck am Druckstutzen
an.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
stellt eine einfache, effektive Möglichkeit dar, den Strömungsverdichter
einer Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft vor der Pumpneigung
zu schützen.
Das durch die strömungsmechanischen
Effekte des Pumpens ursprünglich
begrenzte Kennfeld des Verdichters kann auf diese Weise deutlich
erweitert werden, was zu einer Leistungssteigerung einer mit einer
solchen Vorrichtung versehenen Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug
führt.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft sind der nachfolgenden Zeichnung
sowie der zugehörigen
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft dargestellt, die in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert
werden. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen, weiteren Kombinationen
zusammenfassen, die somit ebenfalls als in der Beschreibung offenbart
anzusehen sind.
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Es
zeigen:
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1 eine Anordnung mit einem
elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter in der Ladeluftzuführung einer
Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in schematischer Darstellung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
ebenfalls in schematischer Darstellung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Verdichtung von Verbrennungsluft nach dem
Stand der Technik, wie sie beispielsweise in der
DE 101 13 308 A1 offenbart
ist und in der Ladeluftzuführung
einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Otto-Motors, angeordnet
werden kann.
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In
der vereinfachten, schematischen Darstellung der 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 mit Kolben 12 und
einem Brennraum 14 gezeigt. Der Bennraum 14 ist über Ventile
einer Ladeluftzuführung 16 und
einer Abgasabführung 18 verbunden. Über die
Abgasabführung 18 gelangen
die Abgase zu einer Turbine 20 eines Abgasturboladers 22 und
von dort über
einen weiteren Abführungskanal 24 in
die Umwelt.
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Die
Ladeluftzuführung 16 der
Brennkraftmaschine 10 ist an einen Ladeluftkühler 26 angeschlossen,
der über
einen Zuführungsabschnitt 28 an
den Luftauslass 30 eines elektrisch betriebenen Ladeluft-Verdichters 32 angeschlossen
ist.
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Der
elektrische Ladeluftverdichter 32 wird von einem Elektromotor 34 angetrieben,
der wiederum über
eine Signal- und Versorgungsleitung 36 mit einem nicht
weiter dargestellten Steuergerät
verbunden ist. Der Lufteinlass 38 des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 32 ist
seinerseits über
einen weiteren Zuführungsabschnitt 40 an
den Ausgang des Verdichters 42 des Abgasturboladers 22 angeschlossen.
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Der
Einlass des Verdichters 42 (Abgasturbolader) ist über einen
Luftfilter 44 mit dem Eingang 46 der Ladeluftzuführung verbunden.
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Beim
Start der Brennkraftmaschine 10 wird der elektrisch betriebene
Ladeluftverdichter 32 zur Unterstützung des Abgasturboladers 22 im
niederen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine aktiviert. Die Verdichterverhältnisse
des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 32 und des
Verdichters 42 des Abgasturboladers 22 ergänzen sich
multiplikativ. Ein in 1 nicht
dargestelltes, am Abgasturbolader üblicherweise vorhandenes, Schubumluftventil
samt zugehöriger
elektronischer Ansteuerung kann dazu verwendet werden, kurzzeitig
in einer ersten Phase nach der Aktivierung des elektrisch betriebenen
Ladeluftverdichters 32 den Abgasturbolader zu umgehen,
um eine Drosselung desselben zu vermeiden. Nach Ablauf dieser Phase
kann das Ventil geschlossen werden, so dass die Ladeluft über den
Verdichter 42 des Abgasturboladers 22 zum Einlass
des Ladeluftverdichters 32 gelangt.
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In
alternativen Ausführungsformen
ist die Reihenfolge von Abgasturbolader und elektrisch betriebenem
Hilfslader gegenüber
der in 1 dargestellten
Reihenfolge getauscht, so dass die zu verdichtende Ladeluft zuerst
dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter und anschließend dem
Abgasturbolader zugeführt
wird. In einer derartigen Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Verdichtung
von Verbrennungsluft weist der elektrisch angetriebene Ladeluftverdichter
in vorteilhafter Weise eine Bypassvorrichtung auf, die es ermöglicht,
im Bereich hoher Drehzahlen, den nicht mehr benötigten Zusatzverdichter mit
möglichst
geringen Druckverlusten zu umgehen.
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2 zeigt ein erstes, schematisiertes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft in einer schematischen Darstellung.
Vom Eingang 46 der Ladeluftzuführung gelangt die zu verdichtende
Luft in den elektrisch angetriebenen Verdichter 32, in
dem in bekannter Weise die Ladeluft verdichtet wird. Der Ladeluftverdichter 32 wird
dazu von einem Elektroantrieb 34 angetrieben. Die verdichtete
Ladeluft gelangt ausgangsseitig des elektrisch angetriebenen Ladeluftverdichters 32 über Verbindungsmittel 48 entweder
direkt in den Verbrennungsraum 14 eines nicht weiter dargestellten
Verbrennungsmotors oder, wie in 2 dargestellt
in den Verdichtungsraum eines nachgeschalteten zweiten Verdichters 50,
beispielsweise eines Abgasturboladers 52, der dann in bekannter
Weise mit dem Brennraum des Verbrennungsmotors verbunden ist.
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Abstromseitig
des Verdichters 32 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft nach dem Ausführungsbeispiel
der 2 ein Überdruckventil 54 auf,
welches über
Verbindungsmittel 56 und 58 strömungstechnisch
parallel zum Verdichter 32 geschaltet ist. Unterschreitet der
am Verdichter 32 abgenommene Volumenstrom die Pumpgrenze
der als Strömungsmaschine
ausgebildeten Verdichtereinrichtung 32, so öffnet das
geeignet gewählte Überdruckventil 54 und
erlaubt somit ein definiertes Rückströmen des
Arbeitsfluids auf die Ansaugseite des Verdichters 32. Der
sich aufbauende Überdruck
kann somit bedarfsgerecht auf das maximal zulässige Maß reduziert werden, ohne dass
ein „Pumpen" des Verdichters 32 eintreten
kann. Ist das Überdruckventil 54 geöffnet bzw.
die Pumpgrenze der Strömungsmaschine 32 unterschritten,
steht somit dennoch der maximal erzeugbare Druck am Druckstutzen 16 des
Verbrennungsmotors an. Für die
Aufladung des Brennraumes des Verbrennungsmotors bedeutet dies,
dass unterhalb der Pumpgrenze stets der maximal erzeugbare Ladedruck
für den Verbrennungsmotor
zur Verfügung
steht.
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Das Überdruckventil 54 ist
während
des Nennbetriebes des Verdichters 32, d.h. oberhalb der „Pumpgrenze" und unterhalb der „Stopfgrenze" des Verdichters
geschlossen. Es verursacht in diesem Zustand lediglich Strömungsverluste,
die auf die zur Applikation notwendigen Abzweigungsstücke 56 bzw. 58 zurückzuführen sind.
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Die
Pumpgrenze des Strömungsverdichters 32 kann
mit Hilfe des Überdruckventils 54 daher
bis hin zu verschwindendem Luftmassenstrom unterschritten werden.
Durch das selbstbetätigende Überdruckventil 54,
welches die Druckseite mit der Saugseite der Strömungsmaschine 32 verbindet
und ab einem definierten Grenzdruck ein Rückströmen des Arbeitsfluids über die
Verbindungselemente 56 und 58 ermöglicht,
wird der Strömungsverdichter 32 vor
einer frühzeitigen
Pumpneigung geschützt.
Auf diese einfache Weise wird das an sich durch strömungsmechanische
Effekte begrenzte Kennfeld des Verdichters 32 in vorteilhafter
Weise erweitert.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft. Dabei sind gleiche Bauelemente
wie im Ausführungsbeispiel
nach 2 mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nach 3 besteht ebenfalls
aus einer Hintereinanderschaltung eines elektrisch angetriebenen
Verdichters 32 und eines Abgasturboladers 52.
Die zu verdichtende Luft wird über
den Eingang 46 des Ladeluftsystems angesaugt und im elektrischen
Verdichter 32 ein erstes Mal verdichtet und über Verbindungsmittel 48 dem
Abgasturbolader 52 zugeführt. Die Verdichterverhältnisse
des elektrisch betriebenen Ladeluftverdichters 32 und des
Verdichters des Abgasturboladers 52 ergänzen sich in beschriebener
Weise multiplikativ.
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Vom
Abgasturbolader 52 aus wird die verdichtete Ladeluft in
bekannter Weise dem Brennraum eines Verbrennungsmotors zugeführt. Zwischen
dem elektrisch betriebenen Verdichter 32 und dem Abgasturbolader 52 zweigen
Verbindungsmittel 56 ab, die zu einem Überdruckventil 54 führen. Über Verbindungsmittel 60 ist
das Überdruckventil 54 und
somit die Verbindungsleitung 48 mit der Umwelt verbunden.
Das gegebenenfalls über
das aktivierte Überdruckventil 54 gemäß 3 abströmende Arbeitsfluid führt, da
es an die Umwelt abgegeben wird, zu einem Massenstromdefekt im Ladeuftkreis
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Auf Grund dieses Massenstromdefektes ist es vorteilhaft, ein Messgerät 62 zur
Erfassung des Luftmassenstroms stromabwärts der in 3 gezeigten Anordnung zu positionieren.
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Die
Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verdichtung von Verbrennungsluft nach 3 ist vorteilhaft, wenn es auf Grund
einer dauerhaften Öffnung
des Überdruckventils 54 gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 2 zu einer fortlaufenden Erwärmung des
dann im Kreis geförderten
Arbeitsfluids käme.
Der auftretende Massenstromdefekt im Ladeluftkreis ist durch entsprechende
Vorkehrungen jeweils zu ersetzen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist nicht beschränkt
auf die Verwendung eines elektrisch angetriebenen Verdichters.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist ebenfalls nicht beschränkt
auf die Verwendung eines zwei- oder mehrstufigen Verdichtungssystems.
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Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht beschränkt
auf die Kombination eines elektrisch betriebenen Verdichters mit
einem klassischen Abgasturbolader.