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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, mit einer Turbine, der Abgas einer Brennkraftmaschine zuführbar ist, und einem der Turbine zugeordneten Bypass, mittels welchem eine Fluidverbindung zwischen einer der Turbine und einer Niederdruckseite der Turbine herstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Abgasturbolader mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Abgasturbolader weist neben der Turbine einen Verdichter auf, welcher von der Turbine angetrieben wird. Die Turbine wiederum entnimmt dazu dem Abgas der Brennkraftmaschine noch in diesem enthaltene Energie und entspannt das Abgas dabei von einem hohen Druck, welcher auf der Hochdruckseite vorliegt, auf einen niedrigen Druck, welcher auf der Niederdruckseite vorherrscht. In der Turbine strömt das Abgas über ein Turbinenrad der Turbine und treibt dieses somit an. Die Hochdruckseite befindet sich also vor beziehungsweise stromaufwärts des Turbinenrads und die Niederdruckseite nach beziehungsweise stromabwärts der Turbine. Das Turbinenrad ist mit dem Verdichter beziehungsweise einem Verdichterrad wirkverbunden, beispielsweise über eine gemeinsame Welle.
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Mittels des Bypasses, über welchen die Fluidverbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite herstellbar ist, kann Abgas um die Turbine beziehungsweise das Turbinenrad herumgeführt werden. Das Abgas strömt folglich durch den Bypass von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite, ohne an der Energiegewinnung in der Turbine des Abgasturboladers beteiligt zu sein. Der Bypass ist dem Turbinenrad beziehungsweise der Turbine parallel geschaltet.
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Mittels des Bypasses kann also indirekt der Abgasmassenstrom, welcher über das Turbinenrad strömt, eingestellt werden, was die Leistung der Turbine beeinflusst. Von der Leistung der Turbine hängt jedoch auch die Leistung des Verdichters des Abgasturboladers und somit der von dem Abgasturbolader erzeugte Ladedruck für die Brennkraftmaschine ab. Wie bereits vorstehend festgehalten, nimmt durch den Bypass von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite geführtes Abgas nicht an der Energiegewinnung in der Turbine teil. Diese Energie wird somit ungenutzt aus dem Abgasturbolader entlassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber weist der Abgasturbolader mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass die Energie des durch den Bypass strömenden Abgases zumindest teilweise genutzt wird. Dies wird erreicht, indem der Bypass eine Strahlpumpe zur Erzeugung von Unterdruck in einer Unterdruckleitung umfasst. Dem Bypass ist die Strahlpumpe zugeordnet. Diese erzeugt den Unterdruck, indem das durch den Bypass geleitete Abgas als Treibmedium verwendet wird, welches ein Saugmedium ansaugt. Die Strahlpumpe kann somit als Saugstrahlpumpe oder als Ejektor bezeichnet werden. Sie arbeitet beispielsweise nach dem Venturiprinzip, umfasst also eine Venturidüse. Dabei kann die Strahlpumpe einstufig, jedoch durchaus auch mehrstufig aufgebaut sein. In letzterem Fall wird das durch den Bypass geleitete Abgas der Strahlpumpe in mehreren Stufen zugeführt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturboladern reduziert der Abgasmassenstrom durch den Bypass proportional den Wirkungsgrad der Turbine. Liegt beispielsweise bei einer vollständigen Öffnung des Bypasses eine 1:1-Teilung der Massenströme durch Turbine und durch den Bypass vor, so halbiert sich der Wirkungsgrad der Turbine, da in dem Bypass keinerlei Nutzleistung umgesetzt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader wird dagegen die Strahlpumpe verwendet, um die in dem durch den Bypass geleiteten Abgas enthaltene Energie zu nutzen, um den Unterdruck zu erzeugen. Der erzeugte Unterdruck kann beispielsweise einer externen Einrichtung, insbesondere der Brennkraftmaschine, zugeführt werden. Dazu ist der Strahlpumpe unter Umständen eine Rückschlagklappe zuzuordnen, um ein Eindringen des Abgases in die externe Einrichtung zu vermeiden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Unterdruckleitung Teil einer auf der Niederdruckseite der Turbine angeordneten Abgasleitung ist. Durch die Abgasleitung wird Abgas, welches über das Turbinenrad der Turbine geführt wurde, abgeführt, insbesondere um es in eine Umgebung der Brennkraftmaschine zu entlassen. Es ist also vorgesehen, den Druck in der Abgasleitung mittels des Unterdrucks der Unterdruckleitung zu senken. Unter Unterdruck ist dabei ein Druck zu verstehen, welcher unter einem Referenzdruck liegt, der üblicherweise bei ausgeschalteter Strahlpumpe vorliegen würde. Durch das Absenken des Drucks in der Abgasleitung, also des Drucks nach der Turbine beziehungsweise des Turbinenrads, kann der Wirkungsgrad des Abgasturboladers beziehungsweise seines Abgassystems – bestehend aus Turbine und Bypass – erhöht werden, da das Druckverhältnis zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite vergrößert wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Strahlpumpe soll also den Abgasdruck auf der Niederdruckseite beziehungsweise in der Abgasleitung verringern. Somit wird das durch den Bypass geleitete Abgas nicht ungenutzt aus der Turbine beziehungsweise dem Abgassystem des Abgasturboladers entlassen, sondern dient ebenso wie das direkt über das Turbinenrad geführte Abgas dazu, die Leistung beziehungsweise Wirkungsgrad der Turbine beziehungsweise des Abgassystems des Abgasturboladers zu erhöhen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Bypass ein Querschnittsverstellelement zur Einstellung der die Strahlpumpe durchströmenden Abgasmenge aufweist. Vorzugsweise soll dabei der Strömungsquerschnitt des Querschnittsverstellelements steuernd und/oder regelnd einstellbar sein, um die den Bypass durchströmende Bypassmenge entsprechend eines Betriebszustands des Abgasturboladers und/oder der Brennkraftmaschine einzustellen. Mittels des Querschnittsverstellelements kann eingestellt werden, welche Abgasmenge den Bypass durchströmt beziehungsweise welche Abgasmenge über das Turbinenrad der Turbine geführt wird. Das Querschnittsverstellelement ist beispielsweise als Ventil, insbesondere Tellerventil, ausgebildet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Querschnittsverstellelement stromaufwärts der Strahlpumpe angeordnet ist oder mit der Strahlpumpe integriert ist. In ersterem Fall wird zunächst mittels des Querschnittsverstellelements die Abgasmenge eingestellt, welche den Bypass durchströmen soll. Anschließend wird diese Abgasmenge der Strahlpumpe zugeführt. Alternativ kann das Querschnittsverstellelement auch mit der Strahlpumpe integriert sein beziehungsweise die Strahlpumpe zumindest teilweise ausbilden. Beispielsweise kann dazu ein Querschnitt innerhalb der Strahlpumpe verstellbar ausgelegt sein, insbesondere der Querschnitt, welcher in der Strahlpumpe zur Erzeugung des Unterdrucks vorgesehen ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das durch den Bypass strömende Abgas der Unterdruckleitung durch einen der Strahlpumpe zugeordneten Ringspalt zuführbar ist. Die Strahlpumpe weist also den Ringspalt auf. Dabei wird das Abgas, welches durch den Bypass strömt, über den Ringspalt führt. Durch eine zentrale, von dem Ringspalt eingeschlossene Öffnung kann das Saugmedium, insbesondere das Abgas, welches über das Turbinenrad der Turbine geführt wurde, zugeführt werden. Durch das durch den Ringspalt in die Unterdruckleitung einströmende Abgas findet ein Impulsaustausch auf das Saugmedium statt, womit dieses angesaugt, beschleunigt und damit gefördert wird. Der Ringspalt bildet dabei eine Treibdüse der Strahlpumpe und die Unterdruckleitung eine Mischkammer, in welchem sich das durch den Bypass geführte Abgas und das Saugmedium, also insbesondere das über das Turbinenrad der Turbine geführte Abgas, vermischen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Strömungsquerschnitt des Ringspalts einstellbar ist. Mittels des einstellbaren Strömungsquerschnitts kann die Abgasmenge eingestellt werden, welche der Unterdruckleitung über den Ringspalt zugeführt wird. Somit ist auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit des aus dem Ringspalt austretenden Abgases und damit auch der in der Unterdruckleitung erzeugte Unterdruck einstellbar. Es kann auch vorgesehen sein, dass auf der Niederdruckseite beziehungsweise in der Unterdruckleitung ein Drucksensor vorgesehen ist und der Strömungsquerschnitt des Ringspalts aufgrund des mit diesem gemessenen Drucks eingestellt wird. Alternativ kann der Strömungsquerschnitt jedoch auch aufgrund eines Betriebszustands des Abgasturboladers beziehungsweise der Brennkraftmaschine einstellbar sein.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ringspalt Teil des Querschnittsverstellelements ist. Der Ringspalt wird also von diesem gebildet. In diesem Fall ist das Querschnittsverstellelement mit der Stahlpumpe integriert, es ist also kein zusätzliches Querschnittsverstellelement stromaufwärts der Strahlpumpe notwendig, um die Abgasmenge, welche durch den Bypass strömt, einzustellen. Dies erfolgt allein durch das Einstellen des Strömungsquerschnitts des Ringspalts.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Querschnittsverstellelement ein axial verschiebbares, insbesondere konusförmiges, Verstellglied umfasst. Das Einstellen des Strömungsquerschnitts ist dabei durch das axiale Verschieben des Verstellglieds vorgesehen. In Abhängigkeit der axialen Position kann also eine bestimmte Abgasmenge den Bypass durchströmen beziehungsweise um das Turbinenrad der Turbine herumgeführt werden. Das Verstellglied ist beispielsweise konusförmig ausgebildet und in einem entsprechenden Gegenelement angeordnet. Dabei kann das Verstellglied zusammen mit dem Gegenelement den Ringspalt ausbilden. Beispielsweise kann das Verstellglied in der Unterdruckleitung angeordnet sind und mit dieser den Ringspalt bilden. Zu diesem Zweck ist die Unterdruckleitung ebenfalls konusförmig, weist vorzugsweise jedoch einen Konuswinkel auf, welcher von dem des Verstellglieds unterschiedlich ist. Auf diese Weise kann durch ein axiales Verschieben des Verstellglieds der Ringspalt, welcher zwischen dem Verstellglied und dem Gegenelement ausgebildet ist, vergrößert oder verkleinert werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verstellglied in der Abgasleitung angeordnet ist und zusammen mit dieser den Ringspalt ausbildet. Die Abgasleitung ist dabei beispielsweise ein Abgasrohr. Es ist also vorgesehen, den Ringspalt, durch welchen das durch den Bypass geführte Abgas ausströmt, unmittelbar in der Abgasleitung vorzusehen. Vorzugsweise ist der entsprechende Bereich der Abgasleitung unmittelbar hinter der Turbine beziehungsweise dem Turbinenrad der Turbine vorgesehen. Auf diese Weise wird das über das Turbinenrad strömende Abgas von dem aus dem Ringspalt ausströmenden Abgas mitgerissen, womit der Unterdruck in der Unterdruckleitung, welche ein Teil der Abgasleitung ist, erzeugt wird. Somit wird der Druck auf der Niederdruckseite des Turbinenrads weiter verringert und damit das Druckverhältnis zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite vergrößert, was eine Erhöhung der von der Turbine gelieferten Leistung zur Folge hat.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungen, der eine Turbine, der Abgas der Brennkraftmaschine zuführbar ist, und einen der Turbine zugeordneten Bypass, mittels welchem eine Fluidverbindung zwischen einer Hochdruckturbine der Turbine und einer Niederdruckseite der Turbine herstellbar ist, aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass der Bypass eine Strahlpumpe zur Erzeugung von Unterdruck in einer Unterdruckleitung umfasst. Die Unterdruckleitung ist vorzugsweise Teil der Abgasleitung, welche auf der Niederdruckseite der Turbine vorgesehen ist, um Abgas, welches über das Turbinenrad geströmt ist, abzuführen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
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1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Strahlpumpe in Form eines Ejektors,
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2 einen Abgasturbolader in einer ersten Ausführungsform, und
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3 einen Abgasturbolader in einer zweiten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt schematisch eine Strahlpumpe 1, welche als Ejektor ausgeführt ist. Die Strahlpumpe 1 besteht im Wesentlichen aus einer Treibdüse 2, welcher ein Treibmedium, wie durch den Pfeil 3 dargestellt, zugeführt wird. Die Treibdüse 2 weist in dem hier dargestellten Beispiel einen konvergenten Verlauf, also einen sich in Strömungsrichtung verringernden Strömungsquerschnitt, auf. Durch die Treibdüse 2 gelangt das Treibmedium in eine Mischkammer 4, welche mit einem Saugmediumanschluss 5 in Strömungsverbindung steht. Durch diesen wird Saugmedium, wie durch den Pfeil 6 dargestellt, bereitgestellt. An die Treibdüse 2 schließt sich in Strömungsrichtung ein Diffusor 7 an. Dieser weist einen im Wesentlichen divergenten Verlauf, also einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Strömungsquerschnitt, auf. Zwischen der Treibdüse 2 und dem Diffusor 7 ist ein Spalt 8 vorgesehen. Treibdüse 2 und Diffusor 7 sind also voneinander beabstandet in einem Gehäuse 9 angeordnet. Der Spalt 8 steht in Fluidverbindung mit dem Saugmediumanschluss 5. Das Treibmedium tritt in Richtung des Pfeils 3 aus der Treibdüse 2 in den Spalt 8 aus. Hierbei entsteht ein dynamischer Druckabfall. Im Bereich des Spalts 8 trifft das Treibmedium auf das durch den Saugmediumanschluss 5 zugeführte Saugmedium und beaufschlagt dieses mit Impuls. Dabei verhält sich das aus der Treibdüse 2 austretende Treibmedium entsprechend eines Freistrahls in dem Saugmedium. Durch die Übertragung des Impulses wird das Saugmedium in dem Spalt 8 beziehungsweise der Mischkammer 4 beschleunigt, sodass ein Druckabfall bewirkt wird. Durch den somit vorliegenden Unterdruck in der Mischkammer 4 beziehungsweise dem Spalt 8 entsteht eine Saugwirkung, durch welche weiteres Saugmedium durch den Saugmediumanschluss 5 gefördert wird. Anschließend durchströmen Treibmedium und Saugmedium gemeinsam, das heißt in vermischter Form, den Diffusor 7 und werden dabei verzögert, womit der Druck wieder zunimmt. Das Gemisch aus Treibmedium und Saugmedium tritt anschließend durch Auslassöffnungen 10 aus der Strahlpumpe 1 beziehungsweise dem Gehäuse 9 aus, wie durch die Pfeile 11 angedeutet.
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Die 2 zeigt einen Abgasturbolader 12, welcher eine Turbine 13 und einen Verdichter 14 aufweist. Die Turbine 13 verfügt über ein Turbinenrad 15, welches über eine gemeinsame Welle 16 mit einem Verdichterrad 17 des Verdichters 14 verbunden ist. Der Abgasturbolader 12 ist dazu vorgesehen, mittels der Turbine 13 einem Abgas einer Brennkraftmaschine Energie zu entnehmen und damit den Verdichter 14 beziehungsweise das Verdichterrad 17 anzutreiben. Mittels des Verdichters 14 wird aus einer Umgebung der Brennkraftmaschine angesaugte Luft verdichtet, also auf ein höheres Druckniveau gebracht, und anschließend der Brennkraftmaschine zugeführt. Auf diese Weise kann die spezifische Leistung der Brennkraftmaschine ohne Einbußen des Wirkungsgrads deutlich erhöht werden beziehungsweise bei gleichbleibender Leistung der Wirkungsgrad erhöht werden. Letzteres führt üblicherweise zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
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Das Abgas der Brennkraftmaschine wird, wie bereits vorstehend ausgeführt, der Turbine 13 zugeführt. In bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Abgasturboladers 12 kann es jedoch notwendig sein, nicht das gesamte Abgas über das Turbinenrad 15 beziehungsweise durch die Turbine 13 zu leiten. Daher ist ein Bypass 18 vorgesehen, mittels welchem eine Fluidverbindung zwischen einer Hochdruckseite 19 vor beziehungsweise stromaufwärts des Turbinenrads 15 und einer Niederdruckseite 20 nach oder stromabwärts des Turbinenrads 15 herstellbar ist. Über den Bypass 18 kann also Abgas von der Hochdruckseite 19 auf die Niederdruckseite 20 gebracht werden, ohne dass es über das Turbinenrad 15 strömt und damit dem Antreiben des Verdichters 14 dient. Eine solche Vorgehensweise ist beispielsweise notwendig, wenn die Brennkraftmaschine keinen oder nur einen geringen Ladedruck benötigt oder bei höheren Drehzahlen, also bei Drehzahlen oberhalb einer Grenzdrehzahl, betrieben wird.
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Aus diesem Grund ist es vorgesehen, die Fluidverbindung zwischen Niederdruckseite 20 und Hochdruckseite 19 über den Bypass 18 herzustellen. Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform des Abgasturboladers 2 ist es nun vorgesehen, dass der Bypass 18 eine Strahlpumpe 21 umfasst. Diese arbeitet gemäß dem anhand der 1 dargelegten Funktionsprinzip. Zur Ausbildung der Strahlpumpe 21 ist in einer Abgasleitung 22, welche an die Turbine 13 angeschlossen ist, ein Führungsrohr 23 angeordnet. Sowohl die Abgasleitung 22 als auch das Führungsrohr 23 weisen dabei einen runden Querschnitt auf, sodass zwischen einer Innenwand 24 der Abgasleitung 22 und einer Außenwand 25 des Führungsrohrs 23 ein Ringspalt 26 vorliegt.
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Durch das Führungsrohr 23 strömt, wie durch den Pfeil 27 angedeutet, Abgas der Brennkraftmaschine, welches über das Turbinenrad 15 geführt wurde. Durch den Ringspalt 26 strömt in Richtung der Pfeile 28 dagegen Abgas, welches mittels des Bypasses 18 der Hochdruckseite 19 entnommen wurde. Im Bereich einer Mündung 29 vermischt sich das durch den Bypass 18 geführte Abgas mit dem Abgas, welches das Turbinenrad 15 überströmt hat. Mittels des Ringspalts ist dabei die Strahlpumpe 21 realisiert, sodass auf der Niederdruckseite 20 ein Unterdruck erzeugt wird. Der Bereich der Abgasleitung 22, in welchem die Mündung 29 vorliegt, kann demnach auch als Unterdruckleitung 30 bezeichnet werden.
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Mittels eines hier nicht dargestellten Querschnittsverstellelements 31, welches stromaufwärts der Strahlpumpe 21 an die Hochdruckseite 19 angeschlossen ist, kann die Abgasmenge eingestellt werden, welche an der Turbine 13 vorbei- und durch den Bypass 18 geführt wird. Auf diese Weise kann die in dem durch den Bypass 18 geführten Abgas enthaltene Energie genutzt werden, um den Druck auf der Niederdruckseite 20 der Turbine 13 zu verringern, sodass dort der Unterdruck vorliegt. Somit wird das Druckverhältnis zwischen Hochdruckseite 19 und Niederdruckseite 20 vergrößert, was auch eine Erhöhung der Leistung des Abgasturboladers 12 und damit der Brennkraftmaschine zur Folge hat.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abgasturboladers 12. Grundsätzlich ist der Aufbau derselbe wie für das Ausführungsbeispiel der 2, sodass insoweit auf diese verwiesen sei. Der in der 3 dargestellte Abgasturbolader 12 zeichnet sich im Gegensatz zu dem der 2 dadurch aus, dass der Strömungsquerschnitt des Ringspalts 26 einstellbar ist. Dies wird erreicht, indem der Ringspalt 26 Teil des Querschnittsverstellelements 31 ist beziehungsweise von diesem ausgebildet wird. Dazu verfügt das Querschnittsverstellelement 31 über ein Verstellglied 32, welches konusförmig ist. Das Verstellglied 32 weist einen konvergenten Verlauf auf, sodass sich sein Strömungsquerschnitt in der der Turbine 13 abgewandten Richtung verringert. Das Verstellglied 32 wirkt mit einem entsprechenden Gegenelement 33 zusammen, welches Bestandteil der Abgasleitung 22 ist. Auch das Gegenelement 33 weist einen konusförmigen Verlauf auf, wobei in einem Bereich 34 ein engster Querschnitt erreicht ist. Nachfolgend dieses Bereichs 34 öffnet sich die Abgasleitung 22 wieder, weist also einen divergenten Verlauf auf. Das Verstellglied 32 ist mittels eines Exzenterstifts 35 in axialer Richtung verlagerbar. Dabei ist der Begriff „axial” in Bezug auf die Welle 16 zu verstehen. Das Verstellglied 32 und das Gegenelement 33 weisen vorzugsweise unterschiedliche Konuswinkel auf, sodass bei einem axialen Verlagern der Strömungsquerschnitt des Ringspalts 26 schnell vergrößert oder verkleinert werden kann. Die Integration des Querschnittsverstellelements 31 in die Strahlpumpe 21 wird also erreicht, indem das Verstellglied 32 in der Abgasleitung 22 angeordnet ist und zusammen mit dieser beziehungsweise mit dem Gegenelement 33 den Ringspalt 26 ausbildet.
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Der Vorteil des in der 2 dargestellten Abgasturboladers ist der einfache und robuste Aufbau ohne bewegliche Bauelemente der Strahlpumpe 21. Nachteilig ist jedoch die lediglich partielle Leistungsumsetzung in der Strahlpumpe 21, da ein Teil der Expansionsleistung des Abgases bereits an dem Querschnittsverstellelement 31 anfällt und somit nicht an der Strahlpumpe 21 zur Verfügung steht. Dagegen weist der Abgasturbolader 12, wie er in der 3 dargestellt ist, den Vorteil auf, dass die Expansionsleistung des Abgasstroms vollständig zur Verfügung steht, da kein der Strahlpumpe 21 vorgeschaltetes Querschnittsverstellelement 31 verwendet wird. Nachteilig ist jedoch der geringfügig aufwendigere Aufbau mit dem axial verlagerbaren Verstellglied 32. Es entfällt jedoch das Querschnittsverstellelement 31 im Sinne der Ausführungsform der 2, welches beispielsweise in Form eines Tellerventils vorliegt. Zum Verstellen des Querschnittsverstellelements 31 ist bei dem Abgasturbolader 12 der 2 eine Verstellwelle vorgesehen. Das Querschnittsverstellelement 31 ist dabei beispielsweise als Bypassklappe ausgeführt. Bei dem Abgasturbolader der 3 ist der Exzenterstift 35 beziehungsweise eine Verstellwelle in Form einer Exzenterwelle vorgesehen, um das Verstellen des Querschnittsverstellelements 31 beziehungsweise das Verlagern des Verstellglieds 32 zu realisieren.
