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Die
Erfindung betrifft ein Laufradgehäuse, bzw. ein Turbinengehäuse, eines
Turboladers einer Brennkraftmaschine, wobei dessen Strömungskanal variabel
einstellbar ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Konzepte bekannt,
um den Ladedruck bei einem Turbolader zu steuern. Ein erstes Konzept sieht
das Vorsehen eines sog. Bypass vor. Hierbei wird der Ladedruck,
wenn notwendig, dadurch begrenzt, dass mit einem Bypassventil bzw.
einem sog. Waste-Gate das heiße
Abgas zum Teil an der Turbine vorbeigeführt und damit die Leistung
der Turbine reduziert wird. Dafür
wird die Turbine klein ausgelegt, so dass sie schon weit unterhalb
des Nennarbeitspunktes des Motors gut arbeitet. Im Nennarbeitspunkt
wird die nötige
Turbinenleistung für
einen bestimmten Ladedruck durch Abblasen eines Teils des Abgasstromes über das
Waste-Gate gesteuert, z. B. durch eine Druckdose, die direkt von
dem Ladedruck beaufschlagt wird und über eine mechanische Verbindung
direkt auf das Waste-Gate wirkt. Die Druckdose kann auch indirekt über ein
zwischengeschaltetes Regelventil von einem elektronischen Steuergerät eingestellt
werden.
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Ein
zweites Konzept stellt die sog. variable Turbinengeometrie (VTG)
dar, mit der das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit
jeweils die gesamte Abgasenergie genutzt werden kann. Hierbei sind
bewegliche Leitschaufeln zwischen der Volute des Turboladergehäuses und dem
Turbinenrad angeordnet. Zur Ansteuerung der Leitschaufeln werden
beispielsweise Hebel verwendet, die über einen im Turbinengehäuse untergebrachten
Verstellring angesteuert werden. Dieser wiederum kann über verschiedene
pneumatische oder elektrische Steller angetrieben werden, beispielsweise
mittels Unterdruckdosen und Taktventilen.
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Mit
den beweglichen Leitschaufeln kann das Druckaufbauverhalten und
daher der Turbinendurchsatz beeinflusst werden. Bei niedrigen Drehzahlen wird
der durch die Leitschaufeln gebildete Strömungsquerschnitt, durch Schließen der
Leitschaufeln, verkleinert und der Einströmwinkel in das Turbinenrad
verändert.
Dies resultiert in einem Anstieg des Ladedrucks. Bei hohen Drehzahlen
werden die Leitschaufeln dagegen schrittweise geöffnet, so dass der Strömungsquerschnitt
vergrößert und
auch der Einströmwinkel
geändert
wird. Dies resultiert in einer Verringerung des Ladedrucks. Die
variable Turbinengeometrie ermöglicht
es, dass die gesamte Abgasenergie über einen weiteren Betriebsbereich
der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden kann.
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Der
Vorteil der variablen Turbinengeometrie gegenüber dem Turbolader mit Bypass
besteht darin, dass der Turbinenwirkungsgrad über einen weiten Durchsatzbereich
verbessert ist, da über
einen weiten Arbeitsbereich der volle Abgasstrom über die
Turbine geleitet und zur Leistungsumsetzung genutzt werden kann.
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Die
Regelung des Ladedrucks mittels der beweglichen Leitschaufeln bei
der variablen Turbinengeometrie hat jedoch den Nachteil, dass sie
sehr aufwendig und teuer in der Fertigung und Montage ist.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laufradgehäuse, insbesondere ein
Turbinengehäuse,
für einen
Turbolader bereitzustellen, bei welchem der Strömungsquerschnitt sich auf einfache
Weise variieren lässt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Laufradgehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Laufradgehäuse, insbesondere
für einen
Turbolader, bereitgestellt, wobei das Laufradgehäuse auf seiner Innenseite mit
wenigstens einem flexiblen Wandelement versehen ist, wobei das flexible
Wandelement im Bereich des Strömungskanals
des Laufradgehäuses
angeordnet ist und über
wenigstens einen Aktuator derart betätigbar ist, dass der Strömungsquerschnitt
des Strömungskanals
variierbar ist.
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Das
Laufradgehäuse
hat dabei den Vorteil, dass die Konstruktion bestehend aus dem flexiblen Wandelement
und dem Aktuator einfacher zu realisieren ist als die Konstruktion
der beweglichen Leitschaufeln bei der variablen Turbinengeometrie.
Des Weiteren kann der Strömungsquerschnitt über zumindest
einen Abschnitt des Umfangs des Strömungskanals variiert werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
erstreckt sich das flexible Wandelement im Wesentlichen von einem
Eingangsbereich des Strömungskanals
mindestens über
einen Teil, oder über den
im Wesentlichen gesamten Umfang des Laufradgehäuses. Dies hat den Vorteil,
dass der Strömungskanal über einen
weiten Bereich verändert
werden kann, d. h. sein Strömungsquerschnitt
je nach Betriebspunkt geeignet vergrößert bzw. verkleinert werden
kann.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das flexible Wandelement an wenigstens einem Ende mit einem
Fest- oder Loslager an
dem Laufradgehäuse
befestigt. Auf diese Weise kann das flexible Wandelement zuverlässig mit
dem Laufradgehäuse
verbunden werden.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Aktuator derart ausgebildet, dass er das flexible Wandelement
nach innen in Richtung des Laufrads drückt und/oder nach außen in Richtung
der Wand des Laufradgehäuses
zieht, um den Strömungsquerschnitt
des Strömungskanals
geeignet zu verkleinern bzw. zu vergrößern, je nach Betriebspunkt.
Aufgrund der Flexibilität
des Wandelements kann es ausreichen, wenn das Wandelement durch
den Aktuator nur nach innen gedrückt
wird, um den Strömungsquerschnitt
zu verkleinern, und nach außen
wieder allein zurückfedern
kann. Der Aktuator kann dabei beispielsweise als Stopper fungieren,
um das flexible Wandelement in einer vorbestimmten Position zu stoppen
und zu halten.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Aktuator als Hebelelementeinrichtung ausgebildet. Die Hebelelementeinrichtung ist
dabei beispielsweise um eine Achse schwenkbar. Die Hebelelementeinrichtung
hat den Vorteil, dass leicht ein geeigneter Druck auf das flexible
Wandelement aufgebracht werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann
der Aktuator auch über
einen Walzen-, Nocken- und/oder Druckstangenmechanismus realisiert
werden. Der Druckstangenmechanismus kann beispielsweise dabei derart
ausgebildet sein, dass eine Druckstange tangential beweglich vorgesehen ist,
die dabei fest mit dem flexiblen Wandelement verbunden ist, um dieses
in einer Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung
zu bewegen. Alternativ kann die Druckstange auch an dem flexiblen
Wandelement frei aufliegen, um bei Bedarf einen geeigneten Druck
darauf auszuüben.
Dabei ist es möglich,
beispielsweise die Druckstange an ihrem Ende mit einer Andruckfläche zu versehen,
so dass die Druckstange nicht punktförmig sondern flächig an
dem flexiblen Wandelement anliegen kann. Je nach Funktion und Einsatzzweck kann
der Aktuator das flexible Wandelement flächig, linienförmige und/oder
punktförmig
berühren.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das flexible Wandelement beispielsweise aus einem Metall, wie
z. B. Federstahl und/oder einem Keramikmaterial. Wobei sowohl der Federstahl
wie das Keramikmaterial eine ausreichende Elastizität bei hohen
Temperaturen aufweisen, von beispielsweise bis zu 800°C oder bis
zu 1100°C, um
in Richtung des Laufrads bewegt zu werden bzw. von dem Laufrad weg.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Temperaturbereiche beschränkt, sondern
die Temperaturen können
auch über
beispielsweise 1100°C
liegen. Die vorgenannten Materialien haben den Vorteil, dass sie
als flexible Wandelemente beispielsweise in einem Turbinengehäuse eines
Turboladers eingesetzt werden können,
in welchem aufgrund des Abgases verhältnismäßig hohe Temperaturen herrschen
können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Seitenschnittansicht eines Turbinengehäuses mit einem variabel einstellbaren
Strömungskanal
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht A-A des Turbinengehäuses gemäß 1.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden. Die vorliegende Erfindung wird
hierbei am Beispiel eines Turbinengehäuses als Laufradgehäuse erläutert. Die
Figuren sind hierbei stark vereinfacht und rein schematisch, um
das erfindungsgemäße Prinzip
näher zu
erläutern.
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In 1 ist
eine Seitenschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 10 eines
Turboladers 11 gezeigt. Das Turbinengehäuse 10 weist dabei
eine Welle 12 auf, auf der ein Turbinenrad 14 angeordnet
ist. Um den Strömungskanal 16,
darunter beispielsweise den Einströmbereich 18, des Turbinengehäuses 10 variable
zu gestalten ist ein flexibles Wandelement 20 an einem
Umfangsabschnitt der Innenwand 22 des Turbinengehäuses 10 angeordnet.
Das flexible Wandelement 20 ist dabei derart angeordnet,
dass es nach innen in Richtung des Turbinenrads 14 bzw.
zur Mittelachse des Strömungskanals 16 bewegt
werden kann, wie in
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1 schematisch
angedeutet ist. Auf diese Weise kann der Strömungskanal 16 des
Turbinengehäuses 10 bzw.
dessen Strömungsquerschnitt
variiert werden. Mit anderen Worten, durch Verengung des Strömungskanals 16 mittels
dem flexiblen Wandelement 20 kann die Strömungsgeschwindigkeit
in dem Strömungskanal 16 in
Abhängigkeit
von einem Abgasmassenstrom gesteuert werden und damit das Turbinenrad 14 über einen
größeren Bereich
des Massenstroms optimiert beaufschlagt werden als dies bei herkömmlichen
Turboladern der Fall ist.
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Bei
niedrigen Drehzahlen kann beispielsweise ein höherer Ladedruck erzielt werden,
indem der Strömungsquerschnitt
verkleinert wird, durch Bewegen des flexiblen Wandelements 20 nach
innen in Richtung des Turbinenrads 14, wie in 1 mit
einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Bei hohen Drehzahlen kann
dagegen der Strömungsquerschnitt
vergrößert bzw.
maximiert werden, indem das flexible Wandelement 20 nach
außen
bzw. von dem Turbinenrad 14 weg bewegt wird. Dabei kann
das flexible Wandelement 20 in eine Position bewegt werden,
in welcher der Strömungsquerschnitt
maximal ist. In dieser Position liegt das flexible Wandelement 20 beispielsweise
an der Innenwand 22 des Turbinengehäuses 10 zumindest
teilweise oder im Wesentlichen vollständig an oder bildet mit diesem
einen kleinen Spalt. Hierbei kann das Turbinengehäuse 10 aber auch
derart gestaltet werden, dass es beispielsweise wenigstens eine
oder mehrere vorgegebene Anlageflächen (nicht dargestellt) aufweist,
an denen das flexible Wandelement 20 anliegt, wenn es ganz
zurückgezogen
ist.
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Das
flexible Wandelement 20 ist hierbei aus einem wärmefesten
Material beschaffen. Dies kann beispielsweise ein Material aus Metall,
wie Federstahl, sein und/oder ein Keramikmaterial. Grundsätzlich kann
aber auch jedes andere geeignete Material oder jede andere geeignete
Materialkombination eingesetzt werden, das eine entsprechende Elastizität aufweist,
die ihre elastischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behält, beispielsweise
bei Temperaturen von bis zu 800°C
bei Dieselmotoren oder bei Temperaturen von bis zu 1100°C bei Ottomotoren.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Temperaturbereiche beschränkt, sondern
die Temperaturen können
beispielsweise auch über
1100°C liegen,
je nach Anwendungsfall.
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Das
flexible Wandelement 20 wird über einen Aktuator 24 betätigt, der,
wie in 1 dargestellt ist, beispielsweise in Form einer
drehbaren Hebelelementeinrichtung 26 ausgebildet und um
eine Aktuatorachse 28 drehbar ist.
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Das
flexible Wandelement 20 ist in dem geschlossenen Strömungskanal 16 bzw.
Einlaufkanal des Turbinengehäuses 10 angeordnet,
so dass Abgas welches hinter das flexible Wandelement 20 und den
Aktuator 24 zum Betätigen
des flexiblen Wandelements 20 gerät im Wesentlichen nicht entweichen kann.
Lediglich im Bereich der Aktuatorachse 28 bzw. dem Abgaseintritt
könnte
eine gewisse Rückströmung stattfinden,
die jedoch durch eine geeignete Wahl der Konstruktionstoleranzen
oder z. B. schleifender Dichtungselemente (nicht dargestellt) minimiert
werden kann. Das Spiel zwischen dem Turbinengehäuse 10 und dem flexiblen
Wandelement 20 kann deshalb relativ großzügig – beispielsweise entsprechend
der Wärmeausdehnung – gewählt werden.
Der Übergang
zwischen dem Aktuator 24 und dem flexiblen Wandelement 20 ist
dabei vorzugsweise möglichst
strömungsgünstig gewählt.
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Der
Aktuator 24 zum Betätigen
des flexibeln Wandelements 20 kann, wie zuvor beschrieben,
beispielsweise als eine drehbarere Hebelelementeinrichtung 26 ausgebildet
sein, welche beispielsweise an dem Ende des flexiblen Wandelements 20 aufliegen
kann z. B. flächig
aufliegen. Wird der Aktuator 24 beispielsweise nach innen
gedreht, so drückt
er das flexible Wandelement 20 nach innen in Richtung des Turbinenrads 14,
wie in 1 mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet
ist. Je nachdem wie weit ein Hebelelement 30 der Hebelelementeinrichtung 26 das flexible
Wandelement 20 nach innen drückt wird der Strömungsquerschnitt
verkleinert, wie in 1 gezeigt ist.
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Das
Hebelelement 30 liegt dabei flächig an dem flexiblen Wandelement 20 an,
beispielsweise über
die gesamte Breite des flexiblen Wandelements 20, wie in 2 gezeigt
ist. Dabei kann wahlweise zusätzlich
auf der Unterseite des Hebelelements 30 oder auf der Oberseite
des flexiblen Wandelements 20 wenigstens ein schleifendes
Dichtungselement (nicht dargestellt) vorgesehen werden, um einen Durchtritt
von Abgas zwischen dem Hebelelement 30 und dem flexiblen
Wandelement 20 im Wesentlichen zu verhindern.
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Alternativ
zu der zuvor beschriebenen Hebelelementeinrichtung 26 kann
der Aktuator 24 auch durch einen Walzen-, Nocken- und/oder Druckstangenmechanismus
(nicht dargestellt) realisiert werden, wobei der Aktuator 24 dabei
drehbar und/oder verschiebbar ausgebildet werden kann. Dies gilt
sowohl für
den Walzen-, Nocken- bzw. Druckstangenmechanismus wie auch für die Hebelelementeinrichtung.
Je nach Funktion können
die vorgenannten Mechanismen beispielsweise drehbar und zusätzlich auch
verschiebbar ausgebildet werden, um einen geeigneten Druck auf das
jeweilige flexible Wandelement aufzubringen.
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Ebenso
ist es möglich
zwei und mehr Aktuatoren 24 entlang des flexiblen Wandelements 20 zu verwenden,
wobei die Aktuatoren 24 beispielsweise verschieden oder
gleich ausgebildet sein können,
je nach Funktion und Einsatzzweck. Die Aktuatoren 24 können dabei
derart ausgebildet sein, dass sie das jeweilige flexible Wandelement 20 flächig, punktförmig und/oder
entlang einer Linie berühren
bzw. berühren
können.
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Der
Querschnitt des flexiblen Wandelements 20 ist beispielsweise
entlang seiner Länge
so gewählt,
dass die elastische Verformung die gewünschte Querschnittsform des
Strömungskanals 16 ergibt. Dabei
kann das flexible Wandelement 20 an einem unteren Ende 34 mit
einer Lagereinrichtung 32 gelagert sein, wobei die Lagereinrichtung
in Form wenigstens eines Festlagers 36 oder Loslagers ausgeführt werden
kann. Dabei kann die Lagerart, d. h. die Verwendung von Fest- oder
Loslager 36, beispielsweise danach gewählt werden, wie den Anforderungen nach
Formgebung und Formtreue des variablen Strömungskanals 16, unter
Einflüssen
wie z. B. Strömung,
Druck und Temperatur, am besten Rechnung getragen werden kann. Dies
gilt ebenso für
die Schnittstelle zwischen Aktuator 24 und flexiblem Wandelement 20.
In 1 ist das flexible Wandelement 20 an
einem Ende mit dem Festlager 36 an dem Turbinengehäuse 10 befestigt,
während
das obere Ende 38 des flexiblen Wandelements 20 beispielsweise
frei ist. Alternativ könnte
in diesem Fall beispielsweise auch das obere Ende 38 fest
mit dem Turbinengehäuse 10 verbunden
werden und ein oder mehrere Aktuatoren 24 hinter dem flexiblen
Wandelement 20 angeordnet werden, um dieses gezielt in Richtung
Turbinenrad 14 zu bewegen und dabei den Strömungsquerschnitt
zu verkleinern. In diesem Fall kann das untere Ende des flexiblen
Wandelements 20 ebenfalls mit einem Festlager oder mit
einem Loslager an dem Turbinengehäuse 10 befestigt sein.
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Um
den Strömungsquerschnitt
in einem vorbestimmten Betriebszustand bzw. Betriebspunkt geeignet
zu variieren, oder wie in 1 gezeigt
ist beispielsweise zu verkleinern, wird die Hebelelementeinrichtung 26 um
ihre Achse 28 um einen vorbestimmten Betrag nach innen
geschwenkt. Dabei drückt
die Hebelelementeinrichtung 26 auf das Ende 38 des
flexiblen Wandelements 20, um dieses nach innen zu drücken und
dadurch den Strömungsquerschnitt
zu verkleinern. Um den Strömungsquerschnitt in
einem anderen Betriebspunkt wieder zu vergrößern wird die Hebelelementeinrichtung 26 um
einen vorbestimmten Betrag nach außen geschwenkt. Dabei federt
das flexible Wandelement 20 beispielsweise entsprechend
zurück,
wobei das flexible Wandelement 20 dabei durch die Hebelelementeinrichtung 26 in
einer vorbestimmten Position gestoppt wird, um den vorbestimmten
Strömungsquerschnitt
einzustellen und die damit verbundene Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms.
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Dabei
sind auch Konstruktionen denkbar bei denen wenigstens ein Aktuator 24 fest
mit dem flexiblen Wandelement 20 verbun den ist, um dieses
beispielsweise zusätzlich
zurück
nach außen
zu bewegen, wenn dieses z. B. nicht ausreichend zurückfedert,
oder um dieses gezielt zu positionieren.
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In 2 ist
eine Schnittansicht A-A des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 10 gezeigt.
Darin ist das Turbinenrad 14 dargestellt, wie es auf der
Turbowelle 12 angeordnet ist. Hierbei müssen keine zusätzlichen
beweglichen Leitschaufeln um das Turbinenrad 14 angeordnet
werden, wie das bei einem variablen Turbinengetriebe der Fall ist. Über dem
Turbinenrad 14 ist der Strömungskanal 16 des
Turbinengehäuses 10 gebildet.
Dabei ist das flexible Wandelement 20 in dem geschlossenen
Strömungskanal 16 bzw.
Einlaufkanal des Turbinengehäuses 10 angeordnet.
Des Weiteren ist zwischen der Turbinengehäusewand 22 und dem
flexiblen Wandelement 20 der Aktuator 24, hier
die Hebelelementeinrichtung 26, angeordnet. Der Aktuator 24 liegt
dabei beispielsweise über
die gesamte Breite an dem flexiblen Wandelement 20 an,
wobei die Toleranzen zwischen dem Aktuator und dem flexibeln Wandelement
derart gewählt
werden können,
das kein Spalt zwischen dem Aktuator 24 und dem flexiblen
Wandelement 20 auftritt. Wahlweise kann dabei zusätzlich,
wie zuvor beschrieben, wenigstens ein schleifendes Dichtungselement
(nicht dargestellt) an dem Aktuator 24 oder dem flexiblen
Wandelement 20 vorgesehen werden, um ein Hindurchtreten
von Abgas zwischen dem Aktuator 24 und dem flexiblen Wandelement 20 zu
verhindern.
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Des
Weiteren können
in der ersten Ausführungsform
mehrere Aktuatoren 24 über
den Umfang verteilt, an dem jeweiligen flexiblen Wandelement 20 angeordnet
werden und dieses unterschiedlich stark betätigen, beispielsweise hinsichtlich
der Andruckkraft und/oder der Andruckdauer. Auf diese Weise kann
der Durchmesser des Strömungskanals 16 zusätzlich über den
Umfang variiert werden.
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Durch
das Vorsehen des flexiblen Wandelements 20 können für den Turbolader 11 bzw.
den zugehörigen
Motor ähnliche
Vorteile erzielt werden, wie mit der variablen Turbinengeometrie (VTG),
die zuvor mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde.
Die vorliegende Erfindung hat jedoch den Vorteil gegenüber der
variablen Turbinengeometrie, dass der Fertigungs- und Montageaufwand
zur Realisierung der variablen Düse
bzw. des variablen Strömungsquerschnitts
geringer ist als der für
die variable Turbinengeometrie.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale
davon.
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Insbesondere
sind eine Vielzahl von Ausführungsformen
für den
Aktuator 24 denkbar, dieser kann dabei beispielsweise mechanisch
bzw. elektromechanisch, pneumatisch und/oder magnetisch bzw. elektromagnetisch
betätigbar
ausgebildet werden, um nur einige Beispiele zu nennen.