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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus der Patentschrift
EP 1 334 262 B1 ist ein Abgasturbolader bekannt, mit einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einem mit Hilfe einer Welle mit einer Drehachse in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommenen Turbinenrad. Der Abgasführungsabschnitt weist einen Einströmkanal zum Eintritt einer Fluidströmung in den Abgasführungsabschnitt, einen stromab des Einströmkanals positionierten Spiralkanal zur Konditionierung der Fluidströmung und einen stromab des Spiralkanals und stromauf der Radkammer positionierten Zuströmkanal sowie einem stromab der Radkammer ausgebildeten Austrittskanal zum Austritt der Fluidströmung aus dem Abgasführungsabschnitt auf. Die Radkammer weist eine das Turbinenrad umhüllende Kammerkontur mit einer zur Drehachse des Turbinenrades koaxialen Längsachse auf. Eine Unterteilung der Kammerkontur in verschiedene geometrische Formen aufweisende Bereiche ergibt zylindrisch ausgeprägte Konturbereiche und einen näherungsweise konkav ausgebildeten Konturbereich, welcher zwischen den zylinderförmigen Konturbereichen angeordnet ist.
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Mit Hilfe dieser typischen Kammerkontur ist eine üblicherweise einmalige Änderung einer Strömungsrichtung der Fluidströmung von dem Zuströmkanal über die Radkammer in den Austrittskanal erzielbar. Es ergibt sich mit Hilfe dieser Radkammer ausgehend von radialen Strömungsrichtung eine axiale Strömungsrichtung. Sofern, wie ebenfalls aus der Patentschrift hervorgeht, eine Anströmung des Turbinenrades vom Radrücken her erfolgt, ist üblicherweise ebenfalls eine nur einmalige Änderung der Strömungsrichtung, ausgehend von einer so genannten halbaxialen Strömungsrichtung in eine axiale Strömungsrichtung realisiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Abgasturbolader bereitzustellen, welcher einen verbesserten Turbinenwirkungsgrad und demzufolge eine erhöhte Abgasturboladerleistung bei gleichzeitig nur geringen konstruktiven Änderungen aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Der Erfindung liegt ein Abgasturbolader zugrunde, dessen Kammerkontur in einem ersten Konturbereich der Radkammer bezogen auf eine Längsachse eine näherungsweise konkave Kontur und in einem zweiten Konturbereich, welcher axial an den ersten Konturbereich anschließend ausgebildet ist, eine an die näherungsweise konkave Kontur axial anschließende näherungsweise konvexe Kontur aufweist. Der Vorteil dieser Kammerkontur ist, dass der Fluidströmung in Strömungsrichtung, unabhängig von einer Strömungsrichtung im Bereich eines Radeintritts, das heißt unabhängig von einer Positionierung des Zuströmkanals, mindestens eine erste Änderung der Strömungsrichtung und eine zweite Änderung der Strömungsrichtung im Bereich der Radkammer aufprägbar ist. Grundsätzlich gilt, dass zum Einen mit größer werdendem Strömungsweg im Bereich der Radkammer, d. h. im Turbinenrad, und zum Anderen unter Ausbildung eines Dralls eine größere Abgasturboladerleistung erzielbar ist. Aufgrund der mindestens zweimaligen Änderung der Strömungsrichtung der Fluidströmung in der Radkammer und dementsprechend im Turbinenrad ist ein gegenüber einer einmaligen Änderung der Strömungsrichtung stärker ausgebildeter Drall und ein längerer Strömungsweg erwirkt.
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Dies führt zu einer Steigerung des Turbinenwirkungsgrades und einer Erhöhung der Abgasturboladerleistung. Ein diesem Vorteil zugrunde liegender Effekt bei einer Kombination des Abgasturboladers mit einer Brennkraftmaschine ist eine Reduzierung einer Kraftstoffemission aufgrund geringerer Kraftstoffmenge bei gleichem Drehmoment und/oder gleicher Leistung einer Brennkraftmaschine.
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Ein weiterer Vorteil ist eine Verkleinerung der Radkammer in ihrer radialen Ausdehnung und somit eine Verkleinerung eines Turbinengehäuses, da bei gleicher Abgasturboladerleistung aufgrund der Steigerung der Abgasturboladerleistung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ein Durchmesser des Turbinenrades reduziert werden kann. Dies führt zu einer Reduzierung des Gewichtes des Abgasturboladers, wodurch in Kombination mit einer Brennkraftmaschine eine weitere Reduzierung der Kraftstoffemission erreicht werden kann.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weist ein Zuströmkanal stromauf der Radkammer eine zur Drehachse parallel angeordnete erste Strömungsachse zur axialen Ausrichtung der Fluidströmung auf. Dadurch, dass der Zuströmkanal eine parallel zur Drehachse angeordnete erste Strömungsachse aufweist, ist das Turbinenrad ausgehend vom Zuströmkanal nicht nur, wie bei einer halbaxialen Anströmung realisiert halbaxial angeströmt, sondern die Fluidströmung weist eine ausgeprägte axiale Anströmung des Turbinenrades auf. Dadurch ist eine weitere Steigerung des Dralls der Fluidströmung erzielbar, so dass eine Steigerung der Abgasturboladerleistung realisierbar ist.
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Eine zusätzliche Steigerung des Turbinenwirkungsgrades ist dadurch erzielbar, dass der Austrittskanal stromab der Radkammer eine mit der Drehachse koaxiale zweite Strömungsachse zur axialen Ausrichtung der Fluidströmung aufweist. Somit ist eine Kombination einer Axialturbine und einer Radialturbine erreichbar, wobei die Fluidströmung in axialer Richtung in das entsprechend ausgebildete Turbinenrad bei einem großen Umfangsradius eintreten kann und das Turbinenrad, aufgrund der radialen Umlenkung im Turbinenrad, bei einem kleineren Radius als dem Umfangsradius das Turbinenrad verlassen kann.
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Dadurch, dass die Fluidströmung eine zweifache Umlenkung im erfindungsgemäßen Abgasturbolader erfahren kann, ist es möglich einen großen Drall in Umfangsrichtung mit einer kleinen Umfangsgeschwindigkeit an einem Ausritt aus dem Turbinenrad zu kombinieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weist das Turbinenrad vorteilhafterweise eine in Form einer Umhüllenden zur Kammerkontur korrespondierende Radkontur auf, wobei ein Minimalspalt zwischen der Kammerkontur und der Umhüllenden zur reibungsfreien Rotation des Turbinenrades ausgebildet ist. Je kleiner dieser Minimalspalt ist, desto höhere Wirkungsgrade des Abgasturboladers sind erzielbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist im Zuströmkanal eine strömungsrichtungsändernde Leiteinrichtung mit einer ersten Mehrzahl von Leitschaufeln angeordnet. Mit Hilfe dieser Leiteinrichtung ist eine weitere Richtungsänderung der Abgasströmung und somit ein Drall der Abgasströmung aufprägbar, wodurch eine weitere Wirkungsgradsteigerung des Abgasturboladers erzielbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Leiteinrichtung einen um die Drehachse rotierbaren Leitschaufelring mit einer zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln auf. Der rotierbare Leitschaufelring ist zur Änderung eines effektiven Strömungsquerschnitts der Fluidströmung auf das Turbinenrad vorgesehen. Somit kann der effektive Strömungsquerschnitt einem Betriebsbereich des Abgasturboladers angepasst werden, derart, dass in den jeweiligen Betriebsbereichen des Abgasturboladers ein größtmöglicher Wirkungsgrad des Abgasturboladers erzielbar ist. Das bedeutet, dass ein großer Druck stromauf des Turbinenrades bei gleichzeitig kleinen Fluidmassen erreicht werden kann, wodurch eine Leistungssteigerung des Abgasturboladers realisiert werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Mehrzahl von Leitschaufeln unbewegbar angeordnet.
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Die erste Mehrzahl der Leitschaufeln kann einer Einbausituation des Abgasturboladers stromauf des Leitschaufelrings oder stromab des Leitschaufelrings angepasst angeordnet sein, so dass eine geeignete Positionierung eines Verstellmechanismus des Leitschaufelringes zu berücksichtigen ist.
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Vorteilhafterweise sind zur Reduzierung von Strömungsverlusten und somit zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers die erste Mehrzahl von Leitschaufeln und die zweite Mehrzahl der Leitschaufeln an ihren in einer ersten Stellposition einander gegenüberliegenden Endflächen kongruent ausgebildet.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist prädestiniert für insbesondere kleine Turbinenraddurchmesser, so dass ein Gewicht des Laufzeugs, welcher dem Verbund des Verdichterrades, des Turbinenrades und der Welle entspricht, im Vergleich zu Abgasturboladern gemäß dem Stand der Technik bei gleicher Leistungsfähigkeit reduzierbar ist, so dass bei gleicher Endleistung ein wesentlich verbessertes Ansprechverhalten infolge einer Reduzierung eines Massenträgheitsmomentes des Laufzeugs erzielbar ist. Dies führt zu einer Reduzierung des so genannten und bekannten „Turbolochs”, sodass nicht nur eine verbesserte Beschleunigung eines mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ausgerüsteten Kraftfahrzeugs erzielbar ist, sondern ebenso eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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 einen Schnitt durch einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik in einer ersten Variante,
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2 einen Schnitt durch einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik in einer zweiten Variante,
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3 einen Schnitt durch einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
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4 einen Ausschnitt eines Schnitts durch einen Abgasführungsabschnitt einer Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer Leiteinrichtung,
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5 in einer Abwicklung einen Ausschnitt einer Draufsicht auf die Leiteinrichtung gem. 4,
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6a einen Ausschnitt einer Abwicklung einer Draufsicht auf die Leiteinrichtung gem. 5 in einer ersten Stellung,
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6b einen Ausschnitt einer Abwicklung einer Draufsicht auf die Leiteinrichtung gem. 5 in einer zweiten Stellung und
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6c einen Ausschnitt einer Abwicklung einer Draufsicht auf die Leiteinrichtung gem. 5 in einer dritten Stellung.
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Ein in 1 dargestellter durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 2 einer Turbine eines Abgasturboladers 1 gemäß dem Stand der Technik in einer ersten Variante ist in einem Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt, vorgesehen. Der Abgasturbolader 1 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, welcher in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Der Abgasturbolader 1 weist ein Laufzeug 3 auf, welches ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 4 zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad 4 drehfest verbindende Welle 5 mit einer Drehachse 6 umfasst. Die Welle 5 ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 1 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt 2 positioniert ist.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 2 ist ein nicht näher dargestellter Eintrittskanal im Abgasführungsabschnitt 2 zum Eintritt einer Fluidströmung ausgebildet. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass es sich bei einer Kombination des Abgasturboladers mit einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolbenmaschine, bei dem Fluid um Abgas, das heißt ein verbranntes Luft-Kraftstoffgemisch der Brennkraftmaschine handelt.
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Der Eintrittskanal dient zur Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad 4 in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 5 wird das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt wird, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Stromab des Eintrittskanals ist im Abgasführungsabschnitt 2 ein Spiralkanal 7 angeordnet, welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient. Des Weiteren ist der Spiralkanal 7 als Verbindungskanal zwischen dem nicht näher dargestellten Eintrittskanal und einem Zuströmkanal 8, welcher stromab des Spiralkanals 7 positioniert ist, ausgebildet.
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Stromab des Zuströmkanals 8 ist eine Radkammer 9 im Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet, in welcher das Turbinenrad 4 drehbar aufgenommen ist. Stromab der Radkammer 9 weist der Abgasführungsabschnitt 2 einen Austrittskanal 10 zum Entweichen des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 2 auf. Die Radkammer 9 weist eine das Turbinenrad 4 umhüllende Kammerkontur 11 auf. Eine Längsachse 12 der Kammerkontur 11 ist koaxial mit der Drehachse 6 ausgebildet.
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Die Kammerkontur 11 ist in einem ersten Konturbereich 14 zylinderförmig ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung gemäß des Strömungspfeils 13 ein an den ersten Konturbereich 14 angrenzender zweiter Konturbereich 15 in Bezugnahme zur Längsachse 12 näherungsweise konkav ausgebildet ist. In einem weiteren Konturbereich, welcher an den zweiten Konturbereich 15 in Richtung des Strömungspfeils 13 angrenzend ausgebildet ist, ist die Kammerkontur 11 wiederholt zylinderförmig ausgebildet. Gemäß dieser Kammerkontur 11 ist dem Strömungsfluid eine einmalige Änderung der Strömungsrichtung aufgeprägt.
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In einer zweiten Variante des Standes der Technik gem. 2 weist die Kammerkontur 11 einen überwiegend, unter Bezugnahme zur Längsachse 12, konkav ausgebildeten ersten Konturbereich 14 auf. Der an den ersten Konturbereich 14 angrenzend ausgebildete zweite Konturbereich 15 weist eine zylinderförmig ausgebildete Kontur auf.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ist gemäß 3 ausgebildet. Die Radkammer 9 weist eine Kammerkontur 11 mit einem ersten Konturbereich 14 und einem zweiten Konturbereich 15 auf. Bezogen auf die Längsachse 12 ist die Kammerkontur 11 im ersten Konturbereich 14 eine näherungsweise konkave Kontur aufweisend und im zweiten Konturbereich 15, welcher axial an den ersten Konturbereich 14 anschließend ausgebildet ist, eine an die näherungsweise konkave Kontur axial anschließende näherungsweise konvexe Kontur aufweisend ausgebildet. Aufgrund dieser Kammerkontur 11 ist eine zweimalige Änderung der Strömungsrichtung 13 des Abgases erzwungen, wodurch eine Wirkungsgradsteigerung des Abgasturboladers 1 erzielbar ist.
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Der Zuströmkanal 8 stromauf der Radkammer 9 weist eine zur Drehachse 6, bzw. zur Längsachse 12, parallel angeordnete erste Strömungsachse 16 auf, so dass stromauf der Radkammer 9 dem Abgas eine Ausrichtung auf das Turbinenrad 4 stromauf der Radkammer 9 aufgeprägt wird, wodurch das Turbinenrad 4 axial, sprich in Richtung seiner Drehachse 6 vom Abgas angeströmt wird. Mit anderen Worten ist durch die parallel angeordnete Strömungsachse 16 eine einer Axialturbine entsprechenden Anströmung des Turbinenrades 4 ermöglicht.
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Der Austrittskanal 10, welcher stromab der Radkammer 9 im Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet ist, weist eine mit der Drehachse 6 koaxial ausgebildete zweite Strömungsachse 17 zur axialen Ausrichtung des Abgases auf. Damit ist dem den Abgasführungsabschnitt 2 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 durchströmenden Fluid ausgehend von dem Zuströmkanal 8 eine zweimalige Änderung des Fluids im Bereich der Radkammer 9 aufgeprägt.
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Eine Radkontur 18 des Turbinenrades 4 ist in Form einer Umhüllenden des Turbinenrades 4 korrespondierend zur Kammerkontur 11 ausgebildet. Mit anderen Worten ist eine Außenkontur 19 des Turbinenrades 4 so ausgebildet, das eine Mehrzahl von Radschaufeln 20 des Turbinenrades an ihren der Kammerkontur 11 gegenüberliegenden Außenkanten 21, der Kammerkontur 11 entsprechend ausgebildet ist, wobei zwischen der Kammerkontur 11 und den Außenkanten 21 ein Bewegungsspalt zur freien Rotationsbewegung des Turbinenrades 4 ausgebildet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist gem. 4 ausgebildet. Damit sowohl bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein größtmöglicher Abgasturboladerwirkungsgrad erreichbar ist, ist das Abgas zusätzlich mit Hilfe einer Leiteinrichtung 22 konditionierbar, welcher im Abgasführungsabschnitt 2 im Zuströmkanal 8, eine erste Mehrzahl von Leitschaufeln 23 umfassend, angeordnet ist. Die Leiteinrichtung 22 ist ringförmig, sich über einen vollständigen größten Umfang des Turbinenrades 4 erstreckend ausgebildet. Die erste Mehrzahl von Leitschaufeln 23 ist im Zuströmkanal 8 unbewegbar angeordnet. Mit Hilfe der ersten Mehrzahl von Leitschaufeln 23 ist dem Fluid eine Richtungsänderung aufprägbar.
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Die Leiteinrichtung 22 umfasst weiterhin einen um die Drehachse 6 rotierbaren Leitschaufelring 24 mit einer zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln 25. Der Leitschaufelring 24 ist stromab der ersten Mehrzahl von Leitschaufeln 23 im Zuströmkanal 8 bewegbar positioniert. Mit Hilfe des Leitschaufelrings 24 ist dem Fluid eine weitere Richtungsänderung aufprägbar.
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In einem nicht näher dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel ist die erste Mehrzahl der Leitschaufeln 23 stromab des Leitschaufelrings 24 angeordnet. Das heißt, die erste Mehrzahl von Leitschaufeln 23 ist zwischen der Radkammer 9 und dem rotierbaren Leitschaufelring 24 positioniert.
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5 zeigt in einem Ausschnitt aus einer Abwicklung einer Draufsicht der Leiteinrichtung 22 die Leiteinrichtung 22 mit der ersten Mehrzahl von Leitschaufeln 23 und dem rotierbaren Leitschaufelring 24 mit der zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln 25, wobei der rotierbare Leitschaufelring 24 eine erste Stellposition aufweist. In dieser Stellposition ist erkennbar, dass in diesem Ausführungsbeispiel die erste Mehrzahl von Leitschaufeln 23 und die zweite Mehrzahl der Leitschaufeln 25 an ihren, in dieser ersten Stellposition des rotierbaren Leitschaufelrings 24, einander gegenüberliegenden Endflächen, eine erste Endfläche 26 der ersten Mehrzahl von Leitschaufeln 23 und eine zweite Endfläche 27 der zweiten Mehrzahl von Leitschaufeln 25, kongruent ausgebildet sind. Der Leitschaufelring 24 ist in Richtung des Drehpfeils 28 verdrehbar.
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In den 6a bis 6c sind unterschiedliche Stellpositionen des Leitschaufelrings 24 dargestellt. 6a zeigt die erste Stellposition gem. 5. Diese erste Stellposition ist bei einem Betrieb des Abgasturboladers 1 in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine insbesondere im Volllastbereich der Brennkraftmaschine einzustellen, da im Volllastbereich ein Abgasmassendurchsatz seinen für die Brennkraftmaschine maximalen Wert erreicht. Die in 6b dargestellt zweite Stellposition ist im mittleren Lastbereich der Brennkraftmaschine bevorzugt einzustellen wohingegen insbesondere im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine bevorzugt eine dritte Stellposition gem. 6c des Leitschaufelrings 24 einzustellen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Leitschaufelring 24 nicht ausschließlich die drei genannten Stellpositionen einnehmen kann, sondern dass der Leitschaufelring 24 über einen Drehbereich von 360° um die Drehachse 6 verdrehbar ist. Das bedeutet, dass der Leitschaufelring 24 dem Lastbereich der Brennkraftmaschine und somit einem Betriebsbereich des Abgasturboladers 1 gemäß einstellbar ist, so dass in jedem Betriebsbereich ein optimierter Wirkungsgrad des Abgasturboladers 1 erzielbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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