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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbine.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine ist der
DE 10 2008 063 656 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, welches von Abgas der Verbrennungskraftmaschine anströmbar und dadurch antreibbar ist. Die Turbine umfasst auch ein einen ersten Verstellbereich aufweisendes erstes Verstellelement, mittels welchem eine erste von Abgas zu durchströmende und stromauf des Turbinenrads angeordnete, erste Strömungsfläche der Turbine einstellbar ist. Das erste Verstellelement stellt somit eine sogenannte Eintrittsvariabilität dar, welche zumindest teilweise in Strömungsrichtung des Abgases durch die Turbine stromauf des Turbinenrads angeordnet ist. Mittels der Eintrittsvariablität kann die erste Strömungsfläche stromauf des Turbinenrads variabel und bedarfsgerecht eingestellt werden. Dazu ist die Eintrittsvariabilität (das erste Verstellelement) in dem ersten Verstellbereich verstellbar, d. h. bewegbar.
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Die Turbine umfasst weiterhin ein einen zweiten Verstellbereich aufweisendes zweites Verstellelement, mittels welchem eine zweite von Abgas zu durchströmende und stromab des Turbinenrads angeordnete, zweite Strömungsfläche der Turbine einstellbar ist. Das zweite Verstellelement stellt somit eine sogenannte Austrittsvariabilität dar, mittels welcher die zweite, stromab des Turbinenrads angeordnete Strömungsfläche variabel und bedarfsgerecht einstellbar ist. Dazu ist das zweite Verstellelement in dem zweiten Verstellbereich verstellbar, d. h. bewegbar.
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Die beiden Verstellelemente ermöglichen eine besonders gute thermodynamische Anpassung an unterschiedliche Betriebspunkte der Turbine und somit der zugeordneten Verbrennungskraftmaschine, da durch sie Einwirkmöglichkeiten auf den sogenannten Reaktionsgrad der Turbine und damit auf die Gefälleaufteilung von Zustromdüse und Turbinenrad bzw. auch auf Strömungsverluste der Turbine bereitstehen. Dadurch ist ein breiter, besonders wirkungsgradgünstiger Betriebsbereich von Turbinen an Verbrennungskraftmaschinen realisierbar und einstellbar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbine bereitzustellen, so dass Strömungsflächenzuordnungen der Eintrittsvariabilität und der Austrittsvariabilität geschaffen sind, durch welche besonders breite Turbinenbetriebsbereiche mit besonders hohen Wirkungsgraden realisierbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art mit Strömungsflächenzuordnungen der einzelnen Verstellelemente zu schaffen, durch welche besonders breite Betriebsbereiche mit besonders hohen Wirkungsgraden der Turbine realisierbar sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer Verstellung des ersten Verstellelements ausgehend von einer die erste Strömungsfläche maximal versperrenden ersten Minimalstellung in eine die erste Strömungsfläche maximal freigebende erste Maximalstellung des ersten Verstellelements eine Mitverstellung des zweiten Verstellelements ausgehend von einer die zweite Strömungsfläche maximal versperrenden zweiten Minimalstellung in eine die zweite Strömungsfläche maximal freigebende zweite Maximalstellung des zweiten Verstellelements erst ab einer Zwischenstellung des ersten Verstellelements erfolgt, in welcher das erste Verstellelement ausgehend von der ersten Minimalstellung in Richtung der ersten Maximalstellung bereits um 60% bis 90% des ersten Verstellbereichs verstellt ist.
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Mit anderen Worten, wird das erste Verstellelement aus einer ersten Minimalstellung in seine erste Maximalstellung verstellt, so wird dabei das zweite Verstellelement erst ab der Zwischenstellung des ersten Verstellelements aus der zweiten Minimalstellung des zweiten Verstellelements in die zweite Maximalstellung des zweiten Verstellelements mit dem ersten Verstellelement mitverstellt, wobei das sich in der Zwischenstellung befindende erste Verstellelement bezogen auf die erste Minimalstellung bereits um 60% bis 90% des ersten Verstellbereichs verstellt ist bzw. wurde. Die Verstellung des zweiten Verstellelements aus der zweiten Minimalstellung in die zweite Maximalstellung erfolgt somit ausgehend von der Zwischenstellung in Richtung der ersten Maximalstellung in den letzten 10% bis 40% des ersten Verstellbereichs.
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Hierdurch ist eine Gewichtung der Verstellbereiche bzw. von Verstellwegen des ersten Verstellelements (Eintrittsvariabilität) und des zweiten Verstellelements (Austrittsvariabilität) zueinander geschaffen, woraus eine Zuordnung der Strömungsflächen zueinander realisiert, durch welche sich nachteilig auf den Wirkungsgrad der Turbine auswirkende Spalteffekte und somit Strömungsverluste eine besonders gute Dämpfung erfahren und somit den Wirkungsgrad der Turbine nicht mehr oder nur noch sehr gering beeinträchtigen. Ferner kann durch die Verstellung der Strömungsflächen und die geschilderte Strömungsflächenzuordnung ein variabler Turbinenradquerschnitt im Relativsystem aus einem feststehenden, gehäuseseitigen Absolutsystem mit besonders günstigem thermodynamischen Verhalten gesteuert oder geregelt, d. h. eingestellt werden, was zu einem besonders effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine führt.
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In besonders vorleilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Strömungsfläche in der zweiten Maximalstellung gegenüber der zweiten Minimalstellung 1,2-mal bis 1,8-mal größer. Mit anderen Worten erfolgt durch die Verstellung des zweiten Versteilelements aus der zweiten Minimalstellung in die zweite Maximalstellung eine Vergrößerung auf das – bezogen auf die zweite Minimalstellung – 1,2- bis 1,8-fache. Durch eine solche Vergrößerung der zweiten Strömungsfläche kann ein besonders vorteilhaftes thermodynamisches Verhalten der Turbine realisiert werden, wobei sie einen besonders breiten Betriebsbereich mit sehr hohen Wirkungsgraden aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt die zweite Strömungsfläche bei der Verstellung des zweiten Verstellelements aus der zweiten Minimalstellung in die zweite Maximalstellung zumindest über einen Teilbereich dieser Verstellung progressiv zu. Hierdurch kann die zweite Strömungsfläche auch über einen nur sehr geringen Verstellweg des zweiten Verstellelements um einen besonders hohen Betrag vergrößert bzw. verkleinert werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die erste Strömungsfläche bei der Verstellung des ersten Verstellelements aus der Zwischenstellung in die erste Maximalstellung zumindest über einen Teilbereich dieser Verstellung degressiv zunimmt.
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Hierdurch sind eine besonders vorteilhafte thermodynamische Verstellung und Anpassung der Turbine realisierbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Strömungsfläche bei der Verstellung des ersten Verstellelements aus der Zwischenstellung in die erste Maximalstellung über einen Teilbereich dieser Verstellung abnimmt. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die erste Strömungsfläche bei der Verstellung des ersten Verstellelements aus der Zwischenstellung in die erste Maximalstellung insgesamt größer wird, d. h. dass die erste Strömungsfläche in der ersten Maximalstellung größer ist als in der Zwischenstellung, dass jedoch im Bereich von der Zwischenstellung bis zur ersten Maximalstellung wenigstens ein Teilbereich vorgesehen ist, in dem die erste Strömungsfläche abnimmt, wenn das erste Verstellelement innerhalb dieses Teilbereichs aus Richtung der Zwischenstellung in Richtung der ersten Maximalstellung verstellt wird. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte thermodynamische Einstellung der Turbine realisiert werden.
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Zur Realisierung eines besonders geringen Gewichts, einer geringen Teileanzahl sowie eines geringen Bauraumbedarfs der Turbine ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Verstellelemente über eine Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelt sind, wobei ein den Verstellelementen gemeinsames Stellglied vorgesehen ist, mittels welchem die Verstellelemente über die Kopplungseinrichtung verstellbar sind. Mit anderen Worten ermöglicht es die Kopplungseinrichtung, beide Verstellelemente über das eine Stellglied anzutreiben, wobei die geschilderte Strömungsflächenzuordnung durch eine entsprechende Ausgestaltung der Kopplungseinrichtung, beispielsweise durch Führungs- bzw. Schiebekulissen, Übersetzungselemente wie Zahnräder oder dergleichen etc. realisiert ist. Die Kopplungseinrichtung kann dabei als mechanische, pneumatische oder hydraulische Kopplungseinrichtung ausgebildet sein.
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Alternativ dazu ist es möglich, dass dem ersten Verstellelement ein erstes Stellglied zum Verstellen des ersten Verstellelements und dem zweiten Verstellelement ein zweites Stellglied zum Verstellen des zweiten Verstellelements zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Verstellung des ersten Verstellelements mittels des ersten Stellglieds erfolgt, während die Verstellung des zweiten Verstellelements über das zweite Stellglied erfolgt. Um die geschilderte Strömungsflächenzuordnung zu realisieren, werden die Stellglieder beispielsweise mittels einer der Turbine zugeordneten Recheneinheit derart geregelt oder gesteuert, dass das zweite Verstellelement erst ab der Zwischenstellung mit dem ersten Verstellelement mitverstellt wird.
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Bei dem ersten Verstellelement (Eintrittsvariabilität) handelt es sich beispielsweise um einen sogenannten Drehschaufler, welcher um eine Drehachse relativ zu einem Turbinengehäuse drehbare Leitschaufeln umfasst. Durch Drehen der Leitschaufeln, beispielsweise mittels eines Verstellrings, können die erste Strömungsfläche und somit ein erster engster und stromauf des Turbinenrads angeordneter Strömungsquerschnitt der Turbine eingestellt werden, wobei dieser erster engste Strömungsquerschnitt durch die Leitschaufeln begrenzt wird. Die Leitschaufeln, welche in ihrem Schaufelwinkel variabel einstellbar sind, stellen somit ein variables Leitgitter dar.
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Ebenso möglich ist es, dass das erste Verstellelement als sogenannter Axialschieber ausgebildet ist. Der Axialschieber umfasst relativ zum Turbinengehäuse feste Leitgitter sowie eine in axialer Richtung verschiebbare Matrize, mittels welcher das Leitgitter abdeckbar ist. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Matrize relativ zum Turbinengehäuse fest und das Leitgitter relativ zum Turbinengehäuse in axialer Richtung verschiebbar ist, um dadurch den mittels der Matrize abzudeckenden Bereich des Leitgitters einzustellen. Durch die variable Verschiebung des Leitgitters bzw. der Matrize in axialer Richtung kann eine jeweilige Schaufelhöhe von Leitschaufeln des Leitgitters variabel eingestellt werden, so dass der erste engste Strömungsquerschnitt variabel eingestellt werden kann.
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Weiterhin ist es möglich, dass es sich bei der Eintrittsvariabilität um einen sogenannten Zungenschieber handelt, welcher um eine Schwenkachse schwenkbare Zungenprofile umfasst. Durch Schwenken bzw. Drehen der Zungenprofile wird eine Spiralenquerschnittsverstellung bewirkt, so dass auch dadurch der erste engste Strömungsquerschnitt eingestellt werden kann.
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Das zweite Verstellelement (Austrittsvariabilität) kann beispielsweise als sogenannter Konusschieber ausgebildet sein. Der Konusschieber ist zumindest in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse verschiebbar, wodurch wenigstens eine Abströmkante des Turbinenrads zumindest in einem Teilbereich abgedeckt bzw. freigegeben werden kann. Dadurch werden die zweite Strömungsfläche und somit ein zweiter engster Strömungsquerschnitt stromab des Turbinenrads eingestellt. Eine überlagerte Drehbewegung des Konusschiebers für die Verstellung ist denkbar, da der Konusschieber vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist und aufgrund der Rotationssymmetrie kein Einfluss auf das Strömungsverhalten bei einer Drehung des Konusschiebers beispielsweise um die Drehachse des Turbinenrads vorhanden ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit einer Turbine, welche ein erstes Verstellelement als Eintrittsvariabilität und ein zweites Verstellelement als Austrittsvariabilität umfasst;
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2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform der Turbine;
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3 eine schematische Perspektivansicht eines Turbinenrads der Turbine;
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4 eine schematische Vorderansicht des Turbinenrads;
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5 eine schematische Schnittansicht des Turbinenrads entlang einer in 4 gezeigten Schnittlinie A-A;
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6 eine schematische Draufsicht des Turbinenrads;
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7 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht des Turbinenrads;
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8 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Turbinenrads;
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9 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Zuordnungen einer mittels des ersten Verstellelements einstellbaren ersten Strömungsfläche zu einer mittels des zweiten Verstellelements einstellbaren zweiten Strömungsfläche bei einer Verstellung der Verstellelemente; und
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10 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung der Zuordnungen.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Verbrennungskraftmaschine 10 zum Antreiben eines Kraftwagens, beispielsweise eines Personenkraftwagens. Der Verbrennungskraftmaschine 10 wird über einen Ansaugtrakt 12 Luft zugeführt. Im Ansaugtrakt 12 ist ein Luftfilter 14 zum Filtern der angesaugten Luft angeordnet. Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist ferner ein Abgasturbolader 16 zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordnet. Dazu umfasst der Abgasturbolader 16 einen am Ansaugtrakt 12 angeordneten Verdichter 18 mit einem Verdichterrad 20, welches in einem in 1 nicht dargestellten Verdichtergehäuse aufgenommen und um eine Drehachse 22 relativ zum Verdichtergehäuse drehbar ist.
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Infolge der Verdichtung der Luft mittels des Verdichterrads 20 wird die Luft erwärmt. Zur Realisierung besonders hoher Aufladegrade ist im Ansaugtrakt 12 stromab des Verdichters 18 eine Kühleinrichtung angeordnet, welche als Ladeluftkühler 24 bezeichnet ist. Die verdichtete und dadurch erwärmte Luft wird mittels des Ladeluftkühlers 24 gekühlt und anschließend der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführt.
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Die verdichtete Luft strömt in in 1 nicht dargestellte Brennräume in Form von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 10 ein und wird zusammen mit Kraftstoff verbrannt. Daraus resultiert Abgas, welches über einen Abgastrakt 26 von der Verbrennungskraftmaschine 10 abgeführt wird. Im Abgastrakt 26 ist eine Turbine 28 des Abgasturboladers 16 angeordnet, wobei die Turbine 28 ein in 1 nicht dargestelltes Turbinengehäuse umfasst, in dem ein um die Drehachse 22 relativ zu dem Turbinengehäuse drehbares Turbinenrad 30 aufgenommen ist.
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Das Abgas wird dem Turbinenrad 30 zugeführt und treibt das Turbinenrad 30 an. Das Turbinenrad 30 und das Verdichterrad 20 sind mit einer Welle 32 des Abgasturboladers 16 drehfest verbunden, so dass infolge des Antreibens des Turbinenrads 30 durch das Abgas das Verdichterrad 20 über die Welle 32 vom Turbinenrad 30 angetrieben wird. Dadurch wird im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt. Im Abgastrakt 26 ist auch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 34 stromab der Turbine 28 angeordnet, mittels welcher das Abgas nachbehandelt wird.
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Wie anhand von 1 erkennbar ist, umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 auch eine Abgasrückführeinrichtung 36 mit einer Abgasrückführleitung 38, welche an einer Abzweigstelle 40 fluidisch mit dem Abgastrakt 26 und an einer Einleitstelle 42 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 12 verbunden ist. Mittels der Abgasrückführleitung 38 kann Abgas aus dem Abgastrakt 26 an der Abzweigstelle 40 abgezweigt, zum Ansaugtrakt 12 rückgeführt und an der Einleitstelle 42 in den Ansaugtrakt 12 eingeleitet werden. Dadurch wird der den Ansaugtrakt 12 durchströmenden Luft Abgas zugemischt. Das Abgas wirkt bei Verbrennungen in den Zylindern als Inertgas, wodurch die Entstehung von Stickoxiden (NOx) zumindest gering gehalten werden kann.
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Um die Menge an rückzuführendem Abgas bedarfsgerecht einzustellen, umfasst die Abgasrückführeinrichtung 36 ein in der Abgasrückführleitung 38 angeordnetes Abgasrückführventil 44. Ferner ist in der Abgasrückführleitung 38 in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasrückführleitung stromab des Abgasrückführventils 44 und stromauf der Einleitstelle 42 ein Abgasrückführkühler 46 der Abgasrückführeinrichtung 36 angeordnet. Mittels des Abgasrückführkühlers 46 kann das rückzuführende Abgas gekühlt werden.
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Wie weiterhin aus 1 erkennbar ist, umfasst die Turbine 28 wenigstens ein erstes Verstellelement 48. Das erste Verstellelement 48 weist einen ersten Verstellbereich auf. Dies bedeutet, dass das erste Verstellelement 48 im ersten Verstellbereich relativ zum Turbinengehäuse verstellbar ist. Durch Verstellen des ersten Verstellelements 48 ist eine erste von Abgas zu durchströmende und stromauf des Turbinenrads 30 angeordnete, erste Strömungsfläche der Turbine 28 variabel einstellbar. Dazu ist das erste Verstellelement 48 zumindest teilweise stromauf des Turbinenrads 30 angeordnet. Wie durch Richtungspfeile 50 angedeutet ist, kann zum Einstellen der ersten Strömungsfläche das erste Verstellelement 48 beispielsweise in axialer Richtung verschoben und/oder gedreht werden.
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Die Turbine 28 umfasst darüber hinaus ein zweites Verstellelement 52, welches einen zweiten Verstellbereich aufweist. Dies bedeutet, dass das zweite Verstellelement 52 im zweiten Verstellbereich relativ zum Turbinengehäuse bewegbar ist. Durch Verstellen bzw. Bewegen des zweiten Verstellelements 52 wird eine von Abgas zu durchströmende und stromab des Turbinenrads 30 angeordnete, zweite Strömungsfläche der Turbine 28 variable eingestellt. Dazu ist das zweite Verstellelement 52 zumindest teilweise stromab des Turbinenrads 30 angeordnet.
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Wie in 1 durch Richtungspfeile 54 angedeutet ist, kann zum Einstellen der zweiten Strömungsfläche das zweite Verstellelement 52 beispielsweise in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse verschoben und/oder gedreht werden.
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Zum Verstellen der beiden Verstellelemente 48, 52 ist vorliegend ein den Verstellelementen 48, 52 gemeinsames Stellglied 55 beispielsweise in Form eines Elektromotors zugeordnet. Ferner ist den Verstellelementen 48, 52 eine Kopplungseinrichtung 56 zugeordnet, über die die Verstellelemente 48, 52 miteinander gekoppelt sind. Dabei sind die Verstellelemente 48, 52 über die Kopplungseinrichtung 56 vom Stellglied 55 antreibbar und somit verstellbar. Dadurch ist ein sogenannter Einsteller realisiert, bei dem die zwei Verstellelemente 48, 52 mittels des lediglich einen Stellglieds 55 verstellbar sind.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch eine Recheneinheit 51 beispielsweise in Form eines Steuergeräts auf, mittels welcher entsprechende Stellglieder der Verbrennungskraftmaschine 10 ansteuerbar und dadurch regelbar oder steuerbar sind, um Verbrennungen in den Zylindern zu beeinflussen. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert werden. Darüber hinaus ist die Recheneinheit 51 mit dem Abgasrückführventil 44 gekoppelt, so dass das Abgasrückführventil 44 von der Recheneinheit 51 geregelt oder gesteuert wird und um so die Menge des rückzuführenden Abgases einzustellen. Darüber hinaus ist die Recheneinheit 51 mit dem Stellglied 55 gekoppelt, so dass das Stellglied 55 von der Recheneinheit 51 ansteuerbar ist. Mittels der Recheneinheit 51 werden somit die Verstellelemente 48, 52 über das Stellglied 55 geregelt oder gesteuert und entsprechend verstellt.
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2 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine Ausführungsform der Turbine 28. Das erste Verstellelement 48 ist als sogenannter Drehschaufler ausgebildet und umfasst relativ zum Turbinengehäuse drehbare Leitschaufeln 58, welche in Umfangsrichtung des Turbinenrads 30 über dessen Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Durch die Leitschaufeln 58 ist ein Leitgitter zum Ablenken bzw. Ableiten des das Turbinenrad 30 anströmenden Abgases geschaffen, so dass das Abgas infolge dieser Ableitung bzw. Ablenkung das Turbinenrad 30 besonders strömungsgünstig anströmt. Um die erste Strömungsfläche variabel einzustellen, sind die Leitschaufeln 58 um jeweilige Drehachsen 60 drehbar.
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Das zweite Verstellelement 52 ist als sogenannter Konusschieber ausgebildet, welcher ein zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisches und in axialer Richtung verschiebbares Konuselement 62 umfasst. Die axiale Verschiebbarkeit des zweiten Verstellelements 52 ist in 1 durch einen Richtungspfeil 61 angedeutet.
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Durch Verstellen des ersten Verstellelements 48 wird ein erster engster Strömungsquerschnitt der Turbine 28 stromauf des Turbinenrads 30 beeinflusst, während durch Verstellen des zweiten Verstellelements 52 ein zweiter engster Strömungsquerschnitt der Turbine 28 stromab des Turbinenrads 30 beeinflusst wird. Der Konusschieber weist dabei eine zumindest im Wesentlichen in einem Teilbereich konusförmige Kontur 64 auf.
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In 2 ist auch eine Laufradschaufel 66 des Turbinenrads 30 erkennbar. Die Laufradschaufel 66 weist eine Anströmkante 68 auf, welche auch als Eintrittskante bezeichnet wird. Die Laufradschaufel 66 wird dabei von einem Turbinenradeintrittsbereich 70 über die Anströmkante 68 von dem Abgas angeströmt. Ferner weist die Laufradschaufel 66 Abströmkanten 72, 74 auf, über welche die Laufradschaufel 66 vom Abgas abgeströmt wird. Die Abströmkanten 72, 74 werden dabei auch als Austrittskanten bezeichnet. Das über die Abströmkanten 72, 74 abströmende Abgas strömt über einen Turbinenradaustrittsbereich 76 vom Turbinenrad 30 weg.
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Bei der Abströmkante 72 handelt es sich um eine sogenannte Variokante, da die Abströmkante 72 durch Verschieben des Konusschiebers in axialer Richtung zumindest in einem Teilbereich abdeckbar und demgegenüber fluidisch freigebbar ist. Mit anderen Worten kann die Variokante mittels des Konusschiebers durch Verschieben dieses hinsichtlich ihres Bereichs, über welchen sie von dem Abgas abströmbar ist, variabel eingestellt werden, indem die Variokante mittels des Konusschiebers zumindest bereichsweise abgedeckt oder demgegenüber freigegeben wird. Im Gegensatz dazu ist die Abströmkante 74 eine sogenannte Festgeometriekante, da ihr Bereich, über welchen sie von dem Abgas abgeströmt wird, nicht variabel einstellbar ist.
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In 2 ist die erste Strömungsfläche als Düsenquerschnitt A1 bezeichnet, während die zweite Strömungsfläche als Radaustrittsquerschnitt A2 bezeichnet ist. Die zweite Strömungsfläche umfasst dabei eine jeweilige Austrittsfläche der jeweiligen Festgeometriekante, über welche die Festgeometriekante vom Abgas abströmbar ist und welche nicht einstellbar ist. Ferner umfasst die zweite Strömungsfläche eine jeweilige Austrittsfläche der jeweiligen Variokante, über die die Variokante von dem Abgas abströmbar ist und die durch Verschieben des Konusschiebers variabel einstellbar ist. Dies bedeutet, dass das variable Einstellen der zweiten Strömungsfläche durch Variieren der Variokante bzw. ihrer Austrittsfläche erfolgt.
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Die Verbindung und Führung der beiden Verstellelemente 48, 52 erfolgt über eine Hülse 78, die in 2 in einer Verstellphase eine Drehbewegung um die Drehachse 22 des Turbinenrads 30 ausführt und jeweilige, den Leitschaufeln 58 zugeordnete Hebel 80 mitnimmt. Dazu sind die Hebel 80 in einer jeweiligen Aussparung 82 der Hülse 78 aufgenommen. Dabei erfolgt eine Kraftübertragung zwischen der Aussparung 82 und einer Berührstelle 84 des Hebels 80. Der jeweilige Hebel 80 ist über eine jeweilige Achse 86 mit der entsprechenden Leitschaufel 58 verbunden, so dass durch Drehen der Hülse 78 über die Aussparung 82, die Berührstelle 84 und den jeweiligen Hebel 80 die jeweilige Leitschaufel 58 um die Drehachse 60 gedreht wird.
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Zur Führung des Konusschiebers ist ein Gehäusekonturstück 53 vorgesehen. Mit anderen Worten wird der Konusschieber bzw. dessen Konuselement 62 von dem Gehäusekonturstück 53 in axialer Richtung geführt und durch Kulissenstifte 59 über eine Kulissennut 57 der Hülse 78 axial positioniert.
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Um ein Verkanten oder ein Verklemmen des Konusschiebers zu vermeiden, sind beispielsweise drei Kulissenstifte 59 vorgesehen, welche in Umfangsrichtung des Konusschiebers über dessen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In 2 ist auch ein Anschlussteil 88 erkennbar, mit welchem das Stellglied 55 gekoppelt ist.
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Mit anderen Worten werden der Konusschieber und der Drehschaufler über das Anschlussteil 88 verstellt. Dabei kann eine Übersetzung bzw. eine Kinematik zwischen dem Anschlussteil 88 und einem Übertragungselement 90 vorgesehen sein, wobei der Konusschieber und der Drehschaufler über das Übertragungselement 90 angetrieben werden. Dadurch können bei einem relativ geringen, vom Stellglied 55 bereitgestellten Drehmoment und/oder bei einer nur geringen vom Stellglied 55 bereitgestellten Betätigungskraft durch die entsprechende Übersetzung sehr hohe Drehmomente bzw. Betätigungskräfte realisiert werden. Dadurch kann der Bauraumbedarf der Turbine 28 gering gehalten werden.
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3 bis 8 zeigen unterschiedliche Ansichten des Turbinenrads 30. In 3 bis 8 sind besonders gut die jeweiligen, als Variokanten ausgebildeten Abströmkanten 72 und die jeweiligen, als Festgeometriekanten ausgebildeten Abströmkanten 74 der jeweiligen Laufradschaufeln 66 zu erkennen. Ferner ist in 6 ein Strömungswinkel β veranschaulicht, wobei die Strömung des Abgases die jeweilige Laufradschaufel 66 mit diesem relativen Strömungswinkel β überströmt.
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9 zeigt ein Diagramm 92, auf dessen Abszisse 94 der Radaustrittsquerschnitt A2 (zweite Strömungsfläche) aufgetragen ist. Auf der Ordinate 96 des Diagramms 92 ist der Düsenquerschnitt A1 (erste Strömungsfläche) aufgetragen.
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Aus 9 ist erkennbar, dass bei einer Verstellung des ersten Verstellelements 48 ausgehend von einer die erste Strömungsfläche (Düsenquerschnitt A1) maximal versperrenden ersten Minimalstellung in eine die erste Strömungsfläche maximal freigebende erste Maximalstellung eine Mitverstellung des zweiten Verstellelements 52 ausgehend von einer die zweite Strömungsfläche (Radaustrittsquerschnitt A2) maximal versperrenden zweiten Minimalstellung in eine die zweite Strömungsfläche maximal freigebende zweite Maximalstellung erst ab einer Zwischenstellung des ersten Verstellelements 48 erfolgt, in welcher das erste Verstellelement 48 ausgehend von der ersten Minimalstellung in Richtung der ersten Maximalstellung bereits um 60% bis 90% des ersten Verstellbereichs verstellt ist.
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In das Diagramm 92 ist dabei ein erster Minimalwert A1,min eingetragen, welchen die erste Strömungsfläche in der ersten Minimalstellung des ersten Verstellelements 48 aufweist. Ferner ist in das Diagramm 92 ein erster Maximalwert A1,max eingetragen, welchen die erste Strömungsfläche in der ersten Maximalstellung des ersten Verstellelements 48 einnimmt. Mit A1+ ist ein Zwischenwert der ersten Strömungsfläche bezeichnet, den die erste Strömungsfläche in der Zwischenstellung des ersten Verstellelements 48 einnimmt. Um das erste Verstellelement 48 aus der ersten Minimalstellung in die Zwischenstellung zu bewegen, ist das erste Verstellelement 48 ausgehend von der ersten Minimalstellung um 60% bis 90% seines ersten Verstellbereichs in Richtung der ersten Maximalstellung zu verstellen.
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Bei dieser Verstellung aus der ersten Minimalstellung in die Zwischenstellung wird die erste Strömungsfläche vom ersten Minimalwert A1,min auf den Zwischenwert A1+ vergrößert, wobei die zweite Strömungsfläche konstant bleibt und einen mit A2,min bezeichneten, zweiten Minimalwert aufweist. Dieser zweite Minimalwert A2,min der zweiten Strömungsfläche ist dabei die geschilderte und mit A20 bezeichnete Radaustrittsfläche der Festgeometriekanten. Diese Verstellung des ersten Verstellelements 48 und die damit einhergehende Vergrößerung der ersten Strömungsfläche bei gleichzeitigem Konstantbleiben der zweiten Strömungsfläche sind durch einen ersten Richtungspfeil 98 in 9 veranschaulicht.
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Bei weiterem Verstellen des ersten Verstellelements 48 aus der Zwischenstellung in die erste Maximalstellung erfolgt dann die Mitverstellung des zweiten Verstellelements 52 mit dem ersten Verstellelement 48, so dass – wie anhand eines zweiten Richtungspfeils 100 erkennbar ist – sowohl die erste Strömungsfläche von dem Zwischenwert A1+ auf den ersten Maximalwert A1,max als auch die zweite Strömungsfläche von dem zweiten Minimalwert A2,min auf den zweiten Maximalwert A2,max vergrößert wird. Der zweite Maximalwert A2,max ist dabei 1,2-mal bis 1,8-mal, d. h. 120% bis 180% größer als der zweite Minimalwert A2,min. Dadurch ist ein Öffnungsvorgang der Verstellelemente 48, 52 sowie eine Zuordnung der beiden Strömungsflächen stromauf des Turbinenrads 30 und stromab des Turbinenrads 30 geschaffen, welche die Realisierung breiter Turbinenbetriebsbereiche mit sehr hohen Wirkungsgraden ermöglichen. Gleichzeitig können die Verstellelemente 48, 52 einfach und robust ausgestaltet werden. Darüber hinaus ist die Turbine 28 als sogenannte Vollvario-Turbine ausgebildet, bei welcher Strömungseigenschaften sowohl stromauf als auch stromab des Turbinenrads 30 beeinflusst werden können. Insbesondere ist es möglich, nachteilig wirkende Spalteffekte insbesondere zu Beginn des Öffnens der Verstellelemente 48, 52 an der Variokante durch die entsprechende Gewichtung der Strömungsflächen zu dämpfen.
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10 zeigt ein weiteres Diagramm 102, auf dessen Abszisse 104 eine Verstellgröße ε der Eintrittsvariabilität (erstes Verstellelement 48) aufgetragen ist. Der in 10 gezeigte Wert Null der Verstellgröße ε entspricht dabei der ersten Minimalstellung des ersten Verstellelements 48, in der die erste Strömungsfläche den ersten Minimalwert A1,min einnimmt. Im Diagramm 102 ist auch ein Maximalwert ε,max der Verstellgröße ε eingetragen. Weist die Verstellgröße ε den Maximalwert ε,max auf, so befindet sich das erste Verstellelement 48 in seiner ersten Maximalstellung, in der die erste Strömungsfläche den Maximalwert A1,max aufweist. Ferner ist in das Diagramm 102 ein Zwischenwert ε+ eingetragen. Weist die Verstellgröße ε den Zwischenwert ε+ auf, so befindet sich das erste Verstellelement 48 in seiner Zwischenstellung, welche mit dem Zwischenwert A1+ korrespondiert. Auf der Ordinate 106 des Diagramms 102 sind der Düsenquerschnitt A1 und der Radaustrittsquerschnitt A2 aufgetragen.
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Ein Richtungspfeil 108 veranschaulicht die Verstellung des ersten Verstellelements 48 von dem Wert 0 (Minimalwert) der Verstellgröße ε, d. h. von der ersten Minimalstellung, hin zum Maximalwert ε,max und somit zur ersten Maximalstellung. Wie durch einen in 10 gestrichelt dargestellten Richtungspfeil 110 dargestellt ist, kann beim Verstellen des ersten Verstellelements 48 aus der ersten Minimalstellung in die Zwischenstellung das zweite Verstellelement 52 durchaus mitverstellt, d. h. relativ zum Turbinengehäuse mitbewegt werden, jedoch erfolgt im Bereich von der ersten Minimalstellung zur Zwischenstellung keine Veränderung und insbesondere keine Vergrößerung der zweiten Strömungsfläche. Dies bedeutet, dass die zweite Strömungsfläche beim Verstellen des ersten Verstellelements 48 aus der ersten Minimalstellung in die Zwischenstellung zumindest im Wesentlichen konstant den zweiten Minimalwert A2,min aufweist, welcher mit der Radaustrittsfläche A20 der Festgeometriekanten korrespondiert. Dies ist der Fall, da in der zweiten Minimalstellung des zweiten Verstellelements 52 die Variokante vollständig abgedeckt ist und sich die zweite, vom Abgas zu durchströmende Strömungsfläche lediglich durch die stets freigegebenen Festgeometriekanten gebildet ist.
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Ab dem Zwischenwert ε+ wird dann das zweite Verstellelement 52 mit dem ersten Verstellelement 48 bei dessen weiterer Verstellung in die erste Maximalstellung mitverstellt, so dass – wenn die Verstellgröße ε ihren Maximalwert ε,max erreicht hat, beide Strömungsflächen ihre jeweiligen Maximalwerte A1,max und A2,max aufweisen. Die Radaustrittsfläche A20 der Festgeometrie-Kante wird somit ab dem Zwischenwert ε+ und dem Zwischenwert A1+ des Düsenquerschnitts A1 in einer relativ geringen Spreizung von 10% bis maximal 40% bezogen auf den Maximalwert ε,max durch Öffnen der Variokante auf den zweiten Maximalwert A2,max geöffnet. Der zweite Maximalwert A2,max beträgt dabei 120% bis 180% der Radaustrittsfläche A20, welche somit die Ausgangsfläche ist. Diese Mitverstellung des zweiten Verstellelements 52 mit dem ersten Verstellelement 48 aber der Zwischenstellung ist durch einen in 10 gestrichelt dargestellten Richtungspfeil 112 veranschaulicht.
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Die Richtungspfeile 108, 110, 112 veranschaulichen den Öffnungsvorgang und somit die Zuordnung der beiden Strömungsflächen stromauf und stromab des Turbinenrads 30 über der Verstellgröße ε. Bei der Verstellgröße ε kann es sich um einen Weg handeln, um den das erste Verstellelement 48 bzw. das zweite Verstellelement 52 bewegt, insbesondere verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Verstellgröße ε auch um einen Winkel handeln, um den das erste Verstellelement 48 bzw. das zweite Verstellelement 52 verschwenkt bzw. gedreht werden. Die Richtungspfeile 108, 110, 112 zeigen vereinfacht lineare Verläufe der Strömungsflächenänderungen über der Verstellgröße ε. Alternativ zu diesem linearen Verlauf ist es auch möglich, Öffnungskurven mit nicht-konstanten Ableitungen der beiden markanten Strömungsflächen zu realisieren. Vorzugsweise ist davon der Teilbereich von ε = 0 bis einschließlich dem Zwischenwert ε+ ausgenommen, in welchem die zweite Strömungsfläche (A2) alleine konstant und unveränderlich durch die Festgeometriekante bestimmt wird und das Turbinenrad 30 über der Variokante unter Berücksichtigung eines etwaig erforderlichen Funktionsspalts durch das Versperrelement in Form des zweiten Verstellelements 52 konstant abgedeckt ist.
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10 veranschaulicht die Zuordnung der beiden Strömungsflächen mittels einer Kopplung der Verstellelemente 48, 52 miteinander, beispielsweise mittels der Kopplungseinrichtung 56, so dass die Verstellgröße ε für beide Verstellelemente 48, 52 gilt und beide Verstellungen charakterisiert. Die reine Zuordnung der Strömungsflächen ohne Bezug auf eine den Verstellelementen 48, 52 gemeinsame Verstellgröße wie der Verstellgröße ε oder einer den Verstellelementen 48, 52 jeweils zugeordneten, eigenen Verstellgröße ist durch 9 veranschaulicht. Mit anderen Worten kann die Zuordnung der Strömungsflächen auch mittels jeweiliger, eigener Stellglieder erfolgen, wobei beide Stellglieder entsprechend aufeinander abgestimmt gesteuert oder geregelt werden, so dass das eine der Stellglieder das erste Verstellelement 48 und das andere der Stellglieder das zweite Verstellelement 52 derart bewegt, dass sich der anhand von 9 veranschaulichte Zusammenhang zwischen den Strömungsflächen ergibt.
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Die mechanische Kopplung der Verstellelemente 48, 52 miteinander mittels der mechanischen Kopplungseinrichtung 56, bei der die Verstellelemente 48, 52 über Kulissen gekoppelt sind, ermöglicht die Verwendung des lediglich einen Stellglieds 55 zum Antreiben beider Verstellelemente 48, 52. Zur Realisierung der entsprechenden Strömungsflächenzuordnung können die Führungskulissen bzw. Kulissennuten entsprechend ausgestaltet werden. Durch die geschilderte Strömungsflächenzuordnung ist es möglich, die Verstellung der Eintrittsvariabilität im großen Verstellbereich bis zum Zwischenwert ε+ mit dem zugehörigen Zwischenwert A1+ bei geschlossener Variokante mit sehr wirkungsgradbegünstigenden Strömungsquerschnitten des Turbinenrads 30 und geringen Spalteffekten zu betreiben.
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Im Bereich vor dem Zwischenwert ε+ werden sich hingegen aufgrund der Radaustrittsfläche A20 im Verhältnis zum Zwischenwert A1+ üblicherweise merkliche Radaustrittsverluste einstellen, die durch das öffnen mit hoher Flächenzunahme bzw. Verstellgrößenänderung (dA2/dε) bei geringen Verstellwegen merklich reduzieren lassen. Durch die hohen Werte von dA2/dε entfernt man sich schon bei geringer Weiteröffnung der Verstellelemente 48, 52 hinsichtlich der Strömungsflächen aus dem nachteiligen Öffnungsbereich. Vorteilhafterweise wird man die Ableitung dA2/dε der zweiten Strömungsfläche nach der Verstellgröße ε deutlich größer als die Ableitung dA1/dε der ersten Strömungsfläche nach der Verstellgröße ε dimensionieren, damit die nachteiligen Spalteffekte in der Öffnungsphase schon nach sehr geringen Verstellungen und somit nach sehr geringen Beträgen der Verstellgröße ε in eine vorteilhafte Variokanten-Abströmung des Abgases übergeht.
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Wie in 10 anhand eines gestrichelten Verlaufs 114 dargelegt ist, kann es vorteilhaft sein, einen zum Zwischenwert ε+ nahen Öffnungsbereich 116 progressiv auszugestalten, so dass im Öffnungsbereich 116 die zweite Strömungsfläche progressiv zunimmt.
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Wie im Diagramm 102 durch einen gestrichelten Verlauf 118 ferner veranschaulicht ist, kann es sinnvoll sein, die erste Strömungsfläche ab dem Zwischenwert ε+ bzw. ab dem Zwischenwert A1+ stark degressiv statt linear oder gar progressiv zu öffnen. Im Grenzfall ist es auch vorstellbar, dass der Düsenquerschnitt A1 in dieser ersten Öffnungsphase des Radaustrittsquerschnitts A2 ab dem Zwischenwert ε+ auf einem konstanten Wert gehalten wird oder über einen geringen Teilbereich der Verstellung bzw. Verstellgröße ε sogar eine flächenabnehmende Tendenz einzustellen, so dass gilt: dA1/dε < 0.
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Hierdurch wird in der kritischen Öffnungsphase des Turbinenradaustrittsbereichs 76 mit der großen Zunahme der zweiten Strömungsfläche und der beispielsweise nur geringen Zunahme der ersten Strömungsfläche den Verlustverhältnissen insoweit entgegengewirkt, dass die Summenwirkung beider Verstellelemente 48, 52 ein stetiges und weiches Übergangsverhalten der Turbine 28 ohne Leistungseinbrüche gewährleistet.
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In dem Diagramm 102 stehen die Strömungsflächen zu der Verstellgröße ε in Beziehung, so wie es bei dem einfachen und robusten Einsteller mit dem nur einen Stellglied 55 zum Bewegen beider Verstellelemente 48, 52 vorgesehen ist. Die durch das Diagramm 92 veranschaulichte Flächenzuordnung lässt hingegen als Verallgemeinerung offen, ob ein den Verstellelementen 48, 52 gemeinsames oder ein jeweiliges, eigenes Stellglied vorgesehen ist. Bei einem jeweiligen Stellglied ist dem mit dem ersten Verstellelement 48 korrespondierenden Stellglied eine erste Verstellgröße ε1 zugeordnet, während dem mit dem zweiten Verstellelement 52 korrespondierenden Stellglied eine zweite Verstellgröße ε2 zu geordnet ist. Dies bedeutet, dass die anhand des Diagramms 92 gezeigte Flächenzuordnung auch ohne weiteres mit zwei jeweiligen Stellgliedern und der entsprechenden Einstellung der Verstellgrößen ε1 und ε2 erzeugt werden kann. Das Diagramm 102 zeigt somit den Sonderfall ε1 = ε2, so dass der einfache Einsteller geschaffen ist, wie er im Diagramm 102 konkret in den Eckpunkten der Zuordnung in beide Strömungsflächen dargelegt ist. Die Realisierung der geschilderten Zuordnungen der Strömungsflächen erlaubt einen besonders effizienten Betrieb der Turbine 28 und somit der gesamten Verbrennungskraftmaschine 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Ansaugtrakt
- 14
- Luftfilter
- 16
- Abgasturbolader
- 18
- Verdichter
- 20
- Verdichterrad
- 22
- Drehachse
- 24
- Ladeluftkühler
- 26
- Abgastrakt
- 28
- Turbine
- 30
- Turbinenrad
- 32
- Welle
- 34
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 36
- Abgasrückführeinrichtung
- 38
- Abgasrückführeinrichtung
- 40
- Abzweigstelle
- 42
- Einleitstelle
- 44
- Abgasrückführventil
- 46
- Abgasrückführkühler
- 48
- erstes Verstellelement
- 50
- Richtungspfeile
- 51
- Recheneinheit
- 52
- zweites Verstellelement
- 53
- Gehäusekonturstück
- 54
- Richtungspfeile
- 55
- Stellglied
- 56
- Koppeleinrichtung
- 57
- Kulissennut
- 58
- Leitschaufel
- 59
- Kulissenstift
- 60
- Drehachse
- 61
- Richtungspfeil
- 62
- Konuselement
- 64
- Kontur
- 66
- Laufradschaufel
- 68
- Anströmkante
- 70
- Turbinenradeintrittsbereich
- 72
- Abströmkante
- 74
- Abströmkante
- 76
- Turbinenradaustrittsbereich
- 78
- Hülse
- 80
- Hebel
- 82
- Aussparung
- 84
- Berührstelle
- 86
- Achse
- 88
- Anschlussteil
- 90
- Übertragungselement
- 92
- Diagramm
- 94
- Abszisse
- 96
- Ordinate
- 98
- Richtungspfeil
- 100
- Richtungspfeil
- 102
- Diagramm
- 104
- Abszisse
- 106
- Ordinate
- 108
- Richtungspfeil
- 110
- Richtungspfeil
- 112
- Richtungspfeil
- 114
- Verlauf
- 116
- Öffnungsbereich
- 118
- Verlauf
- A1
- Düsenquerschnitt
- A2
- Radaustrittsquerschnitt
- A1,min
- erster Minimalwert
- A1,max
- erster Maximalwert
- A2,min
- zweiter Minimalwert
- A2,max
- zweiter Maximalwert
- A20
- Radaustrittsfläche
- A1+
- Zwischenwert
- β
- Strömungswinkel
- ε
- Verstellgröße
- ε,max
- Maximalwert
- ε+
- Zwischenwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008063656 A1 [0002]
