DE102012223015A1 - Turbolader mit verstellbarem Kern - Google Patents

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DE102012223015A1
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James Douglas Ervin
August Thomas Vaught
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Ford Global Technologies LLC
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Abstract

Es wird hier ein Turbolader bereitgestellt. Der Turbolader enthält ein Gehäuse und einen einstellbaren Kern, der von dem Gehäuse um seinen Umfang zumindest teilweise umgeben ist, wobei der einstellbare Kern einen über eine Welle mit einem Verdichterrotor gekoppelten Turbinenrotor aufweist. Der Turbolader enthält weiterhin einen mit dem einstellbaren Kern gekoppelten Einstellmechanismus, der dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf Einstellbefehle eine axiale Position des Gehäuses bezüglich des einstellbaren Kerns einzustellen.

Description

  • Turbolader sind in Motoren eingebaut, um das Leistungsgewicht des Motors zu verbessern. Es kann wünschenswert sein, den Strömungsweg des Abgases in die Turbine einzustellen, um eine Einstellung der Eigenschaften der Turbine auf Grundlage der Motorbetriebsbedingungen zu erleichtern. Zum Beispiel sind zweiflutige Turbinen entwickelt worden, um eine Einstellung der Eigenschaften der Turbine zu erreichen. Eine zweiflutige Turbine kann zwei Spiralen zur Zuführung von Abgas zu dem Turbinenrotor und ein Ventil, das dazu konfiguriert ist, die Durchflussrate des Abgases durch die Spiralen einzustellen, enthalten. Die Geometrie jede der Spiralen kann dazu ausgelegt sein, Verluste über verschiedenste Motorbetriebsbedingungen zu verringern. Zum Beispiel kann die erste Spirale für eine schnellere Reaktion bei niedrigeren Motordrehzahlen scharf abgewinkelt sein, und die zweite Spirale kann zur Verringerung von Verlusten bei höheren Motordrehzahlen weniger abgewinkelt sein.
  • Bei einigen zweiflutigen Turbinen kann ein Einstellmechanismus in dem Turbinengehäuse vorgesehen sein, der eine Einstellung der Abgasdurchflussrate durch jede der Spiralen ermöglicht. Die US 5 855 117 offenbart ein Turbinengehäuse mit zwei Einlassströmungskanälen und eine in dem Gehäuse integrierte Einstellvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, die Durchflussrate von beiden Einlassströmungskanälen zum Turbinenrotor einzustellen. Die Erfinder haben mehrere Nachteile bei dieser Art von Ausführung erkannt. Verschiedene Komponenten beim Einstellmechanismus, wie zum Beispiel das Axialschieberglied, können zu einer thermischen Beeinträchtigung durch die in diesen Einlässen erfahrenen hohen Temperaturen neigen. Des Weiteren ist die für das Axialschieberglied erforderliche Toleranz innerhalb von Kostenzielen möglicherweise nicht erreichbar. Folglich können die Verluste in den Turbinen erhöht sein.
  • Somit wird gemäß einem Lösungsansatz ein Turbolader bereitgestellt. Der Turbolader enthält ein Gehäuse und einen einstellbaren Kern, der von dem Gehäuse zumindest teilweise um seinen Umfang umgeben ist, wobei der einstellbare Kern einen Turbinenrotor aufweist, der über eine Welle mit einem Verdichterrotor gekoppelt ist. Des Weiteren enthält der Turbolader einen mit dem einstellbaren Kern gekoppelten Einstellmechanismus, der dazu konfiguriert ist, eine axiale Position des Gehäuses bezüglich des einstellbaren Kerns als Reaktion auf Einstellbefehle einzustellen.
  • Wenn der Turbolader auf diese Weise strukturiert ist, dann kann der Einstellmechanismus weiter von dem Hochtemperaturabgas entfernt sein. Infolgedessen kann die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Beeinträchtigung des Einstellmechanismus reduziert sein und es können angemessenere Toleranzen angegeben sein. Deshalb wird Einstellbarkeit der Abgasdurchflussrate durch eine Turbinenspirale erreicht, während die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Beeinträchtigung des Einstellmechanismus reduziert wird und Kostenziele erfüllt werden.
  • Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung, alleine betrachtet oder in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, leicht ersichtlich. Obgleich die hier bereitgestellten Beispiele zum Beispiel eine axiale Verschiebung des Kerns zeigen, kann auch eine Drehverschiebung (oder Kombinationen aus axialer und Drehverschiebung) verwendet werden.
  • Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Turboladers.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
  • 34 zeigen den einstellbaren Kern des in 2 dargestellten Turboladers in verschiedenen axialen Positionen.
  • 58 zeigen mehrere Ausführungsformen des in dem in 1 gezeigten Turbolader enthaltenen Einstellmechanismus.
  • 912 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Gehäuses des in 1 gezeigten Turboladers.
  • 13 zeigt ein Verfahren zur Steuerung eines Turboladers.
  • 212 sind ungefähr maßstäblich gezeichnet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es werden hier Ausführungsformen eines Turboladers mit einem einstellbaren Kern beschrieben. Der einstellbare Kern des Turboladers ist dazu konfiguriert, bezüglich des Turboladergehäuses axial eingestellt werden zu können, wobei das Gehäuse einen Verdichterdiffusor und eine Turbinenspirale enthält. Der einstellbare Kern enthält den Turbinen- und Verdichterrotor, die den Turbinen- und Verdichterrotor koppelnde Welle und andere Komponenten, die hier ausführlicher erläutert werden. In einem Beispiel umfasst eine Bewegung des Kerns eine Bewegung des Turbinen- und Verdichterrotors, der Welle usw. Auf diese Weise kann die Durchflussrate von Frischluft in den/aus dem Verdichter und/oder von Abgas in die/aus der Turbine eingestellt werden, da der Verdichter und/oder die Turbine zum Beispiel in einem größeren oder geringeren Maße mit Strömungsöffnungen in dem Gehäuse des Verdichterdiffusors/der Turbinenspiralen kommunizieren können. Wenn der ganze einstellbare Kern eingestellt ist, versteht sich, dass die Langlebigkeit und Robustheit des Turboladers im Vergleich zu anderen Turboladern, die einen in dem Gehäuse der Turbine integrierten Einstellmechanismus verwenden, um die Abgasdurchflussrate in die Turbine einzustellen, erhöht sein kann.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors 100 mit einem Turbolader 150. Der Motor enthält ein Einlasssystem 104 und ein Auslasssystem 106. Das Einlasssystem 104 ist dazu konfiguriert, einer Brennkammer 108 Einlassluft zuzuführen, und kann Komponenten, wie zum Beispiel eine Drosselklappe, einen Einlasskrümmer usw. enthalten, um dieser Funktionalität gerecht zu werden. Das Auslasssystem 106 ist hingegen dazu konfiguriert, Abgas von der Brennkammer 108 zu empfangen, und kann Komponenten, wie zum Beispiel einen Auslasskrümmer, eine Abgasreinigungsvorrichtung (zum Beispiel einen Katalysator, einen Partikelfilter) usw. enthalten. Der Pfeil 105 stellt den Einlassluftstrom in das Einlasssystem 104 dar. Ebenso stellt der Pfeil 107 den Abgasstrom an die umliegende Umgebung aus dem Auslasssystem 106 dar.
  • Die Brennkammer 108 kann ein Einlassventil 110 und ein damit gekoppeltes Auslassventil 112 enthalten. Das Einlass- und das Auslassventil (110 und 112) können dazu betrieben werden, einen Verbrennungszyklus, wie zum Beispiel einen Viertakt-Verbrennungszyklus (zum Beispiel Ansaugen, Verdichten, Arbeit, Auslassen), durchzuführen. Der Pfeil 114 stellt den Einlassluftstrom in die Brennkammer 108 von dem Einlasssystem 104 dar, und der Pfeil 116 stellt den Abgasstrom aus der Brennkammer 108 zum Auslasssystem 106 dar. Darüber hinaus kann der Motor 100 weiterhin ein (nicht gezeigtes) Kraftstoff-Versorgungssystem, das dazu konfiguriert ist, Kraftstoff der Brennkammer 108 zuzuführen, und/oder eine Zündkerze, die dazu konfiguriert ist, Verbrennung in der Brennkammer einzuleiten, enthalten.
  • Des Weiteren enthält der Motor 100 einen Turbolader 150 mit einem Verdichter 152 und einer Turbine 154, wobei der Verdichter einen Verdichterrotor 156 aufweist und die Turbine einen Turbinenrotor 158 enthält. Die Turbine 154 kann über Abgasstrom angetrieben werden. Ebenso kann der Verdichter 152 dazu konfiguriert sein, den Druck der Einlassluft zu erhöhen. Auf diese Weise können/kann die Leistungsabgabe und/oder der Wirkungsgrad des Motors 100 erhöht werden.
  • Der Turbolader 150 kann des Weiteren eine Welle 160 enthalten, die den Verdichterrotor 156 mit dem Turbinenrotor 158 drehbar koppelt. Der Turbinenrotor 158, der Verdichterrotor 156 und die Welle 160 sind in einem einstellbaren Kern 161 enthalten. Wie hier näher besprochen, kann es sich bei dem einstellbaren Kern 161 um einen axial einstellbaren Kern handeln. Ein Gehäuse 162 umgibt den Umfang mindestens eines Teils des einstellbaren Kerns 161. In einem Beispiel umschließt das Gehäuse 162 den Umfang des Verdichterrotors 156, des Turbinenrotors 158 und der Welle 160.
  • Der Turbolader 150 enthält weiterhin einen Einstellmechanismus 164, der dazu konfiguriert ist, die axiale Position eines einstellbaren Kerns 161 bezüglich des Gehäuses 162 einzustellen. Der Turbolader 150 ermöglicht die Durchflussrate in die Turbine und Abströmung des Verdichters zur Steuerung auf Grundlage der Betriebsbedingungen im Motor. Infolgedessen werden/wird der Verbrennungswirkungsgrad und/oder die Leistungsabgabe des Motors erhöht.
  • Der Motor 100 kann weiterhin eine Steuerung 130 enthalten, die dazu konfiguriert ist, verschiedene Komponenten des Motors 100 einzustellen. Insbesondere ist die Steuerung 130 dazu konfiguriert, Einstellbefehle zu dem Einstellmechanismus 164 zu senden, um eine axiale Einstellung des einstellbaren Kerns 161 bezüglich des Gehäuses 162 einzuleiten. Somit kann der einstellbare Kern 161 in eine der Axialrichtungen bewegt werden, um die Durchflussrate des Abgases in die Turbine 154 zu ändern, wie hier unter Bezugnahme auf die 24 näher erörtert. Die Steuerung 130 kann ein herkömmlicher Mikrocomputer sein, der eine Mikroprozessoreinheit 132, Eingangs-/Ausgangs-Ports 134, einen Nurlesespeicher (ROM) 136, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 138, einen Erhaltungsspeicher (KAM) 140 und einen herkömmlichen Datenbus enthält.
  • 2 zeigt eine Darstellung eines Querschnitts einer ersten Ausführungsform des Turboladers 150. Wie gezeigt, enthält der Turbolader 150 das Gehäuse 162. Das Gehäuse 162 enthält einen Verdichterdiffusor 200, der dazu konfiguriert ist, die Abströmung des Verdichters 152 zu empfangen. Die Wand 203 definiert die Grenze des Verdichterdiffusorkanals 201. Es versteht sich, dass sich der Verdichterdiffusor 200 spiralförmig um den Umfang des Verdichterrotors 156 erstrecken kann.
  • Das Gehäuse 162 enthält eine erste Turbinenspirale 202 und eine zweite Turbinenspirale 204. Die erste Turbinenspirale enthält die Wand 206, die die Grenze eines ersten Turbinenspiralenkanals 208 definiert. Ebenso enthält die zweite Turbinenspirale die Wand 210, die eine Grenze eines zweiten Turbinenspiralenkanals 212 definiert. Es versteht sich, dass beide Turbinenspiralenkanäle dazu konfiguriert sind, Abgas zu dem Turbinenrotor 158 zu leiten. Des Weiteren kann der Einstellmechanismus 164 den einstellbaren Kern 161 einstellen, um den Abgasstrom durch den ersten und/oder den zweiten Turbinenspiralenkanal (208 und 212) zu ändern. Die erste Turbinenspirale 202 kann andere geometrische Eigenschaften haben als die zweite Turbinenspirale 204. Insbesondere kann die erste Turbinenspirale 202 eine Geometrie aufweisen, die dazu konfiguriert ist, den Turbinenwirkungsgrad bei niedrigeren Motordrehzahlen zu erhöhen, und die zweite Turbinenspirale 204 kann eine Geometrie aufweisen, die dazu konfiguriert ist, den Turbinenwirkungsgrad bei höheren Motordrehzahlen zu verbessern. Zum Beispiel kann die erste Turbinenspirale 202 einen steileren Eintrittswinkel als die zweite Turbinenspirale 204 aufweisen oder umgekehrt. Der Eintrittswinkel der Spirale kann als der Winkel zwischen der Linie des mittleren Strömungsimpulses, die das Turbinenrad schneidet, und einer sich von diesem Schnittpunkt tangential zu dem Umfang der Spirale in einer senkrecht zur Drehachse der Spirale verlaufenden Ebene erstreckenden Linie definiert werden. Bei anderen Ausführungsformen enthält das Gehäuse 162 möglicherweise jedoch nur eine einzige Turbinenspirale.
  • Im Betrieb des Turboladers 150 kann Luft über den Verdichtereinlasskanal 214 in den Verdichter 152 strömen und über den Verdichterdiffusor 200 aus der Brennkammer 108 strömen. Darüber hinaus kann Abgas aus der Brennkammer 108 über die erste und die zweite Turbinenspirale (202 und 204) in die Turbine 154 eintreten und über den Turbinenauslasskanal 216 aus der Turbine 154 herausströmen. Die Abströmung der Turbine 154 kann bei einigen Ausführungsformen zu einer Abgasreinigungsvorrichtung und dann an die umliegende Atmosphäre geleitet werden.
  • Der Turbolader 150 enthält weiterhin den einstellbaren Kern 161, der durch das Gehäuse 162 zumindest teilweise umschlossen wird. Der einstellbare Kern 161 kann in mehrere Abschnitte unterteilt werden, die einen mittleren Kernabschnitt 218 enthalten, der zwischen einem ersten Umfangskernabschnitt 220 und einem zweiten Umfangskernabschnitt 222 angeordnet ist.
  • Der mittlere Kernabschnitt 218 enthält die Welle 160, ein oder mehrere Lager 224, die zur Erleichterung der Drehung der Welle 160 konfiguriert sind, und ein Wellengehäuse 226, das die Welle 160 zumindest teilweise umschließt. Der mittlere Kernabschnitt 218 erstreckt sich axial von dem Turbinenrotor 158 zum Verdichterrotor 156.
  • Ein erster Umfangskernabschnitt 220 enthält eine Verdichterströmungsführung 228. Die Verdichterströmungsführung 228 ist dazu konfiguriert, Einlassluft in den Verdichterrotor 156 zu leiten und Einlassluft aus dem Verdichterrotor 156 zu dem Verdichterdiffusor 200 zu leiten. Somit kann die Verdichterströmungsführung 228 zwischen dem Verdichterrotor 156 und dem Verdichterdiffusor 200 strömungsgekoppelt sein. Ebenso ist die Turbinenströmungsführung 230 dazu konfiguriert, Abgas aus dem ersten und dem zweiten Spiralenkanal (208 und 212) zum Turbinenrotor 158 zu leiten und Abgas aus dem Turbinenrotor 158 zu dem in 1 gezeigten Auslasssystem 106 zu leiten. Somit kann die Turbinenströmungsführung 230 zwischen dem Turbinenrotor 158 und dem ersten und dem zweiten Spiralenkanal (208 und 212) strömungsgekoppelt sein. Die Turbinenströmungsführung 230 kann axial eingestellt werden, um die Durchflussrate des Abgases in den Turbinenrotor 158 zu ändern. Ebenso kann die Verdichterströmungsführung 228 axial eingestellt werden, um die Durchflussrate der Einlassluft in den Diffusorkanal 201 zu ändern. Wie hier ausführlicher besprochen, kann der erste Umfangskernabschnitt 220 über mehrere in 5 gezeigte geschlitzte Verlängerungen 500, die hier ausführlicher besprochen werden, mit dem mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelt sein. Auf diese Weise ist die relative Position des mittleren Kernabschnitts und des ersten Umfangskernabschnitts 220 im Wesentlichen festgelegt. Somit können die axiale Position des mittleren Kernabschnitts 218 und des ersten Umfangskernabschnitts 220 entsprechend eingestellt werden. Ebenso kann der zweite Umfangskernabschnitt 222 über mehrere in 5 gezeigte geschlitzte Verlängerungen 502 mit dem mittleren Kernabschnitt gekoppelt sein. Auf diese Weise ist die relative Position des mittleren Kernabschnitts 218 und des zweiten Umfangskernabschnitts 222 im Wesentlichen festgelegt. Deshalb kann die axiale Position des mittleren Kernabschnitts 218, des ersten Umfangskernabschnitts 220 und des zweiten Umfangskernabschnitts 222 entsprechend eingestellt werden. Auf diese Weise können sowohl die Geometrie (zum Beispiel die Fläche) der Strömungsöffnung in den Verdichter 152 als auch die Strömungsöffnungen in die Turbine 154 auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen eingestellt werden, um den Wirkungsgrad des Turboladers 150 durch axiale Bewegung des Kerns 161 und insbesondere der Verdichterströmungsführung 228 und der Turbinenströmungsführung 230 zu erhöhen, wodurch eine erhöhte Leistungsabgabe des Motors und/oder ein erhöhter Wirkungsgrad ermöglicht werden.
  • Der Turbolader 150 enthält weiterhin ein Schmiersystem 232, das einen Schmierkanal 234 enthält, der den mittleren Kernabschnitt 218 durchquert. Abzweigungskanäle 236 können mit dem Schmierkanal 234 strömungsgekoppelt sein und dazu konfiguriert sein, Öl oder ein anderes geeignetes Schmiermittel den Lagern 224 zuzuführen. Auf diese Weise wird Verschleiß an den Lagern 224 reduziert. Des Weiteren enthält das Schmiersystem 232 einen Zuführungskanal 238, der in dem Gehäuse 162 integriert ist. Es versteht sich, dass der Zuführungskanal 238 mit einem Schmierkreislauf gekoppelt sein kann, der eine Pumpe in dem in 1 gezeigten Motor 100 enthält. Auf diese Weise kann dem Zuführungskanal 238 Schmiermittel zugeführt werden.
  • Eine erste Ausführungsform des Einstellmechanismus 164 wird in 2 gezeigt. Wie gezeigt, behindert die Turbinenströmungsführung 230 wesentlich den Strom von dem zweiten Spiralenkanal 212 zum Turbinenrotor 158. Auf diese Weise kann Abgasstrom vom zweiten Spiralenkanal 212 zum Turbinenrotor 158 im Wesentlichen gesperrt werden. Die Turbinenströmungsführung 230 kann auf diese Weise positioniert werden, wenn ein Druckverhältnis > 1,0 (das heißt Aufladung) erwünscht wird, aber der Absolutmassenluftstrom begrenzt wird, wie zum Beispiel für Tip-In bei niedriger Drehzahl. Auf diese Weise wird das Effektivvolumen der Turbine reduziert, um ein schnelleres instationäres Ansprechverhalten zu erzielen. Die Verdichterströmungsführung 228 leitet andererseits Einlassluft von dem Verdichterrotor 156 zu der axialen Vorderkante des Diffusorkanals 201. Der Einstellmechanismus enthält einen Einstellstift 240, der mit dem einstellbaren Kern 161 direkt gekoppelt ist, und eine in dem Gehäuse 162 integrierte Bahn 242. Insbesondere ist der Einstellstift 240 beweglich in der Bahn 242 positioniert. Die Bahn 242 kann sich in einer axialen Richtung erstrecken und kann parallel zu der Drehachse 244 des Turboladers 150 verlaufen. Die Position der Bahn 242 kann jedoch bei anderen Ausführungsformen geändert werden. Eine Axialkraft 300 kann an den Einstellstift 240 angelegt werden, um die axiale Position des einstellbaren Kerns 161 zu ändern, wie in den 3 und 4 gezeigt. Deshalb zeigen die 34 verschiedene axiale Positionen des Turboladers 150. Auf diese Weise ist der einstellbare Kern 161 ein axial einstellbarer Kern. Es versteht sich, dass der Einstellmechanismus 164 den Verdichterrotor 156 bezüglich des Diffusors und den Turbinenrotor 158 bezüglich der ersten und der zweiten Spirale (202 und 204) gleichzeitig verschieben kann. Es versteht sich, dass in den 24 zwar 3 axiale Positionen gezeigt werden, der Turbolader 150 jedoch in einer großen Anzahl von Positionen angeordnet werden kann, und insbesondere kann der einstellbare Kern bei einigen Ausführungsformen stufenlos einstellbar sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der einstellbare Kern jedoch in mehreren diskreten Positionen einstellbar sein.
  • Insbesondere zeigt 3 eine Konfiguration des Turboladers 150, bei der die Turbinenströmungsführung 230 Strom von dem zweiten Spiralenkanal 212 zum Turbinenrotor 158 teilweise blockiert. Des Weiteren ist die Verdichterströmungsführung 228 in der Mitte des Auslasses 302 des Verdichterdiffusorkanals 201 positioniert. Es versteht sich, dass bei einer solchen Konfiguration des Verdichters 152 die Drosselung des Luftstroms durch den Verdichter für Einstellungen gemäß den 3 und 2 ähnlich ist. Deshalb kann die durch den Turbolader 150 bereitgestellte Aufladung im Vergleich zu der in 2 gezeigten Konfiguration erhöht werden, da der erste Spiralenkanal 208 und ein Teil des zweiten Spiralenkanals 212 den Abgasstrom aufnehmen, wodurch die Drehzahl des Turbinenrotors 158 und deshalb des Verdichterrotors 156 erhöht wird. Es versteht sich jedoch, dass die in 3 gezeigte Konfiguration aufgrund des vergrößerten Spiralenkanalvolumens, durch das Abgas in 3 strömt, ein langsameres instationäres Ansprechverhalten haben kann als die in 2 gezeigte Konfiguration. Auf diese Weise können der Verdichterauslassstrom und deshalb die durch den Turbolader 150 bereitgestellte Aufladung über einen einstellbaren Kern 161 eingestellt werden. Ebenso leitet die Verdichterströmungsführung 228 Luftstrom von dem Verdichterrotor 156 zu einem axialen Außenrand des Diffusorkanals 201. Auf diese Weise werden die Durchflussrate und der Massenstrom der Einlassluft in den Verdichterrotor 156 erhöht, wodurch die durch den Turbolader 150 bereitgestellte Aufladung erhöht wird. Es versteht sich, dass der Turbolader 150 in dieser Position konfiguriert sein kann, wenn die Sollaufladung an das Massenstromerfordernis ohne Abführen von Abgasenergie durch das Wastegate angepasst wird. Zum Beispiel könnte dies beim Übergang von Niedriglastbetrieb zu Betrieb mit mittlerer Drosselklappenöffnung oder wenn Übergang von mäßigen Aufladungshöhen zu mittleren Aufladungshöhen erfolgt, erwünscht sein.
  • 4 zeigt eine Konfiguration des Turboladers 150, bei der die Turbinenströmungsführung 230 Strom von der ersten oder zweiten Spirale (202 und 204) zum Turbinenrotor 158 nicht blockiert. Auf diese Weise kann Abgas beim Turboladerbetrieb durch beide Spiralen (202 und 204) geleitet werden. Deshalb wird die Durchflussrate des Abgases von den Spiralen in den Turbinenrotor 158 erhöht, wodurch die Geschwindigkeit des Turbinenrotors 158 und deshalb des Verdichterrotors 156 im Vergleich zu der in den 2 und 3 gezeigten Turboladerkonfiguration erhöht wird. Infolgedessen wird die durch den Turbolader 150 bereitgestellte Aufladung erhöht. Darüber hinaus ist die Verdichterströmungsführung 228 in der Nähe des rechten axialen Umfangs des Auslasses 302 des Verdichterdiffusorkanals 201 positioniert. Wenn die Verdichterströmungsführung 228 auf diese Weise positioniert ist, dann unterscheidet sich die Drosselung des Einlassluftstroms durch den Auslass des Verdichters 152 nicht wesentlich im Vergleich zu der in den 2 und 3 gezeigten Konfiguration. Die Erhöhung der Aufnahme der Abgasenergie aufgrund der vollständigen Nutzung beider Spiralen erhöht die Verdichterdrehzahl, wodurch die durch den Turbolader 150 bereitgestellte Aufladung erhöht wird. Es versteht sich, dass der Turbolader 150 in dieser Position konfiguriert sein kann, wenn volles Strömungspotenzial erwünscht ist, wie zum Beispiel bei mittlerer Last, hoher Drehzahl und unter Hoch- oder Vollastbedingungen.
  • 5 zeigt eine Darstellung des einstellbaren Kerns 161 und des in den 24 gezeigten Einstellmechanismus 164. Des Weiteren zeigen die 68 verschiedene Ausführungsformen des Einstellmechanismus 164 und des in 1 gezeigten einstellbaren Kerns 161. Es versteht sich, dass die in 1 gezeigte Steuerung 130 zur Steuerung der verschiedenen Ausführungsformen des in den 57 gezeigten Einstellmechanismus verwendet werden kann.
  • Insbesondere zeigt 5 die erste Ausführungsform des Einstellmechanismus 164, die einen axialen Eingang zur Einstellung der relativen Position des einstellbaren Kerns 161 und des Gehäuses 162 verwendet. Wie gezeigt, ist der Einstellstift 240 mit dem einstellbaren Kern 161 gekoppelt. Insbesondere ist der Einstellstift 240 mit dem mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Einstellstift 240 jedoch mit dem ersten oder zweiten Umfangskernabschnitt (220 und 222) gekoppelt sein. Eine Axialkraft kann an den Einstellstift 240 angelegt werden, um den einstellbaren Kern 161 in die Axialrichtung zu bewegen. Es versteht sich, dass das Gehäuse 162 die in 2 gezeigte Bahn 242 enthalten kann, die sich in Axialrichtung zur Führung des Einstellstifts 240 in einer gewünschten Richtung erstreckt. Eine geeignete Komponente, wie zum Beispiel ein Magnetventil, kann verwendet werden, um die Axialkraft an den Einstellstift 240 anzulegen. Auf diese Weise kann die axiale Position des einstellbaren Kerns 161 auf Grundlage der Betriebsbedingungen des Motors eingestellt werden. Insbesondere werden die Verdichterströmungsführung 228 und die Turbinenströmungsführung 230 als Reaktion auf die an den Einstellstift 240 angelegte Kraft axial eingestellt und ändern deshalb die Durchflussrate der Einlassluft von dem in 2 gezeigten Verdichterrotor 156 zum Verdichterdiffusor 200 und die Abgasdurchflussrate von der in 2 gezeigten zweiten Turbinenspirale 204 zum Turbinenrotor 158.
  • Weiterhin zeigt 5 den ersten Umfangskernabschnitt 220, den mittleren Kernabschnitt 218 und den zweiten Umfangskernabschnitt 222. Der erste Umfangskernabschnitt 220 ist über geschlitzte Verlängerungen 500 fest an den mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelt. Die geschlitzten Verlängerungen 500 können sich über einen Teil eines Einlasses des in 2 gezeigten Verdichterdiffusors 200 erstrecken. Ebenso ist der zweite Umfangskernabschnitt 222 über geschlitzte Verlängerungen 502 fest an den mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelt. Die geschlitzten Verlängerungen 502 können sich über einen Teil der Auslässe der in 2 gezeigten ersten und zweiten Spirale 202 und 204 erstrecken. Die geschlitzten Verlängerungen 500 und 502 sind bei der in 5 gezeigten Ausführungsform axial auf die Drehachse 244 des Turboladers 150 ausgerichtet. Bei anderen Ausführungsformen können die geschlitzten Verlängerungen 500 und 502 jedoch wechselweise positioniert sein. Auf diese Weise sind die relativen Positionen des ersten Umfangskernabschnitts 220, des mittleren Kernabschnitts und des zweiten Umfangskernabschnitts 222 bezüglich einander festgelegt und können sich deshalb als Reaktion auf eine daran angelegte Axialkraft gleichzeitig bewegen. Der Verdichterrotor 156 und der Turbinenrotor 158 werden auch in 5 gezeigt. Eine bei 504 schematisch dargestellte Komponente kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf von der in 1 gezeigten Steuerung 130 gesendete Einstellbefehle eine Axialkraft an den Einstellstift 240 anzulegen. Die bei 504 gezeigte Komponente kann mit der in 1 gezeigten Steuerung 130 in drahtgebundener/drahtloser Kommunikation stehen. Auf diese Weise kann die Steuerung 130 dazu verwendet werden, die axiale Position des einstellbaren Kerns 161 bezüglich des Gehäuses 162 einzustellen.
  • 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des in 1 gezeigten Einstellmechanismus 164. Der Einstellmechanismus enthält den Einstellstift 240 und die Bahn 242. Die Bahn 242 erstreckt sich jedoch sowohl in einer axialen als auch in einer radialen Richtung bei der in 6 gezeigten Ausführungsform. Deshalb enthält die Bahn 242 ein erstes Ende 610, das axial von einem zweiten Ende 612 versetzt ist. Der Einstellstift 240 ist bei der gezeigten Ausführungsform in der Darstellung fest mit dem mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Einstellstift 240 jedoch auch mit dem ersten oder zweiten Umfangskernabschnitt (220 und 222) gekoppelt sein. Der Einstellmechanismus 164 enthält weiterhin eine Drehkomponente 600, die ein erstes Zahnrad 602 enthält, das dazu konfiguriert ist, mit einem zweiten Zahnrad 604, das in dem einstellbaren Kern 161 integriert ist, zu kämmen. Wie gezeigt, enthält jedes der Zahnräder (602 und 604) Zahnradzähne 606. Das zweite Zahnrad 604 ist in dem ersten Umfangskernabschnitt 220 integriert. Bei anderen Ausführungsformen kann das zweite Zahnrad 604 jedoch in dem mittleren Kernabschnitt 218 oder dem zweiten Umfangskernabschnitt 222 integriert sein. Eine bei 608 gezeigte Komponente kann dazu konfiguriert sein, das Zahnrad 602 als Reaktion auf von der in 1 gezeigten Steuerung 130 gesendete Einstellbefehle zu drehen. Das zweite Zahnrad 604 dreht sich seinerseits und der Einstellstift 240 bewegt sich axial durch die Bahn 242. Auf diese Weise kann die Steuerung 130 dazu verwendet werden, die axiale Position des einstellbaren Kerns 161 einzustellen. Insbesondere werden die Verdichterströmungsführung 228 und die Turbinenströmungsführung 230 als Reaktion auf die Drehung des Zahnrads 602 über die Komponente 608 axial eingestellt und ändern deshalb die Durchflussrate der Einlassluft von dem in 2 gezeigten Verdichterrotor 156 zum Verdichterdiffusor 200 und die Abgasdurchflussrate von der in 2 gezeigten zweiten Turbinenspirale 204 zum Turbinenrotor 158. Des Weiteren kann die bei 608 gezeigte Komponente mit der in 1 gezeigten Steuerung 130 in drahtgebundener/drahtloser Kommunikation stehen.
  • 7 zeigt eine dritte Ausführungsform des in 1 gezeigten Einstellmechanismus 164. Wie gezeigt, enthält der Einstellmechanismus 164 den Einstellstift 240 und die Bahn 242, der bzw. die in 6 gezeigt werden. Die Bahn 242 erstreckt sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform ist eine bei 700 schematisch gezeigte Komponente dazu konfiguriert, eine vertikale Kraft 702 an den Einstellstift 240 anzulegen. Wenn die vertikale Kraft an den Einstellstift 240 angelegt ist, bewegt sich der einstellbare Kern 261 in einer axialen Richtung. Der Einstellmechanismus enthält weiterhin eine fest mit dem mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelte Verlängerung 700. Die Kernführung 704 ist dazu konfiguriert, die Bewegung des einstellbaren Kerns 161 während der Einstellung zu führen. Die Komponente 700 kann dazu konfiguriert sein, die vertikale Kraft 702 als Reaktion auf Einstellbefehle von der in 1 gezeigten Steuerung 130 anzulegen. Als Reaktion auf die vertikale Kraft 702 bewegt sich der Einstellstift 240 sowohl vertikal als auch axial in der Bahn 242. Auf diese Weise kann die Steuerung 130 dazu verwendet werden, die axiale Position des einstellbaren Kerns 161 einzustellen. Insbesondere werden die Verdichterströmungsführung 228 und die Turbinenströmungsführung 230 als Reaktion auf die über die Komponente 700 erzeugte vertikale Kraft 702 axial eingestellt und ändern deshalb die Durchflussrate der Einlassluft von dem in 2 gezeigten Verdichterrotor 156 zum Verdichterdiffusor 200 und die Abgasdurchflussrate von der in 2 gezeigten zweiten Turbinenspirale 204 zum Turbinenrotor 158.
  • 8 zeigt eine vierte Ausführungsform des in 1 gezeigten Einstellmechanismus 164. Wie gezeigt, ist der Einstellmechanismus 164 hydraulisch. Der Einstellmechanismus 164 enthält eine Versorgungsleitung 800, eine Rückführleitung 802, eine den hydraulischen Kolben 806 teilweise umschließende Kammer 804 und eine Feder 808. Die Versorgungsleitung 800 kann dazu konfiguriert sein, den Öldruck in der Kammer 804 zu erhöhen, um den hydraulischen Kolben 806 in einer axialen Richtung zu bewegen. Auf diese Weise können hydraulische Eingaben dazu verwendet werden, den einstellbaren Kern 161 zu bewegen. Der hydraulische Kolben 806 kann fest mit dem mittleren Kernabschnitt 218 gekoppelt sein. Auf diese Weise kann der mittlere Kernabschnitt 218 hydraulisch in einer axialen Richtung bewegt werden. Es versteht sich, dass die Feder 808 eine Rückstellkraft für den hydraulischen Kolben 806 bereitstellt. Auf diese Weise können der hydraulische Kolben 806 und der mittlere Kernabschnitt 218 in ihre ursprüngliche Position zurückgeführt werden, wenn der Öldruck in der Kammer 804 verringert wird. Die Kammer 804 und/oder der hydraulische Kolben 806 können sich um den Umfang des mittleren Kernabschnitts 218 erstrecken. Als Reaktion auf eine Bewegung des hydraulischen Kolbens 806, die durch eine Druckeinstellung in der Versorgungsleitung 800 erzeugt wird, wird die axiale Position des einstellbaren Kerns 161 geändert. Insbesondere werden die Verdichterströmungsführung 228 und die Turbinenströmungsführung 230 als Reaktion auf die Bewegung des hydraulischen Kolbens 806 axial eingestellt und ändern deshalb die Durchflussrate der Einlassluft von dem in 2 gezeigten Verdichterrotor 156 zum Verdichterdiffusor 200 und die Abgasdurchflussrate von der in 2 gezeigten zweiten Turbinenspirale 204 zum Turbinenrotor 158.
  • Die Kammer 804 ist bei der gezeigten Ausführungsform mit dem Schmierkanal 234 strömungsgekoppelt. Ein Rückschlagventil 810 kann mit dem Schmierkanal 234 gekoppelt sein. Das Rückschlagventil 810 kann dazu konfiguriert sein, den Schmierkanal 234 zu öffnen und den Druck darin zu verringern, wenn der Druck einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Bei anderen Ausführungsformen kann ein getrennter Zuführungskanal dem Schmierkanal 234 Öl zuführen.
  • Die 912 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Gehäuses 162 des Turboladers 150. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform bildet das Gehäuse eine durchgehende Fläche und ist durch einen einzigen Gießvorgang gegossen. Bei den in den 912 gezeigten Ausführungsformen kann jedoch ein Teil des Gehäuses getrennt hergestellt (zum Beispiel gegossen, maschinell gefertigt usw.) sein. Insbesondere zeigt 9 einen Teiler 900, der die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralenkanal (208 und 212), die getrennt hergestellt und dann mit dem Rest des Gehäuses 162 gekoppelt wurden, definiert. Somit kann der Teiler 900 den ersten Spiralenkanal 208 von dem zweiten Spiralenkanal 212 trennen. Es versteht sich, dass das Gehäuse 162 und der erste Spiralenkanal 208 und der Teiler 900 aus getrennten Materialien hergestellt sein können. Zum Beispiel kann das zur Herstellung des Gehäuses 162 verwendete Material qualitativ hochwertigen Edelstahl, wie zum Beispiel D5S-Material, enthalten. Andererseits können die zur Herstellung des Teilers 900 verwendeten Materialien eine rostfreie Legierung mit hohem Nickelgehalt, wie zum Beispiel Inconel, oder ein A5N-Material oder DIN-1.4848-Material enthalten. Es versteht sich, dass das zur Herstellung des Teilers 900 verwendete Material weniger stark zu thermischer Beeinträchtigung neigt als das zur Herstellung des Rests des Gehäuses 162 verwendete Material. Auf diese Weise kann die Langlebigkeit des Turboladers 150 im Vergleich zu Turbolader, die ein einziges Material zur Herstellung des Gehäuses verwenden, vergrößert werden.
  • 10 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht des in 9 gezeigten Teilers 900. Wie gezeigt, kann der die erste und die zweite Spirale enthaltende Abschnitt des Gehäuses über Schweißungen, wie zum Beispiel die Punktschweißungen 1000, mit dem Gehäuse 162 verschweißt sein. Der Teiler 900 kann des Weiteren eine hitzebeständige Beschichtung 1002 enthalten. Darüber hinaus zeigt 11 den Teiler 900, der über eine Schraube 1100 mit dem Gehäuse 162 gekoppelt ist. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Ausführungsformen andere geeignete Kopplungstechniken verwendet werden können.
  • Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform, wird der Teiler 900 mit dem Gehäuse 162 gekoppelt gezeigt. Ein Kühlmittelkanal 1200 erstreckt sich durch den Teiler 900. Der Kühlmittelkanal 1200 ist dazu konfiguriert, Kühlmittel durch den Teiler 900 zu zirkulieren, um Wärme von der Turbine 154 abzuführen. Der Kühlmittelkanal 1200 kann sich um 360 Grad um den Umfang des einstellbaren Kerns 161 erstrecken. Der Kühlmittelkanal 1200 kann mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein, der dazu konfiguriert ist, Wärme von dem durch den Kühlmittelkanal zirkulierten Kühlmittel abzuführen.
  • 13 zeigt ein Verfahren 1300 zur Steuerung eines Turboladers. Das Verfahren 1300 kann über den Turbolader, die Steuerung, Komponenten usw., die oben unter Bezugnahme auf die 112 beschrieben werden, implementiert werden oder es kann über eine(n) andere(n) geeignete(n) Turbolader, Steuerung oder über andere geeignete Komponenten usw. implementiert werden.
  • Bei 1302 umfasst das Verfahren Bestimmen, ob die Turboladereinstellung angefordert worden ist. Wenn die Turboladereinstellung nicht angefordert worden ist (NEIN bei 1302), dann endet das Verfahren. Wenn die Turboladereinstellung jedoch angefordert worden ist (JA bei 1302), dann geht das Verfahren zu 1304 über. Bei 1304 umfasst das Verfahren Einstellen des Verdichterauslassstroms und/oder des Turbineneinlassstroms des Turboladers über axiales Verschieben einer einen Verdichterrotor und einen Turbinenrotor in einem festgelegten Gehäuse koppelnden Welle. Das Einstellen bei 1304 kann bei 1306 Verringern oder Erhöhen der Durchflussrate des Abgases von einer Turbinenspirale zu dem Turbinenrotor und bei 1308 Verringern oder Erhöhen der Durchflussrate des Abgases des Verdichterrotors zum Verdichterdiffusor umfassen.
  • Dies schließt die Beschreibung ab. Ihre Lektüre durch den Fachmann würde viele Änderungen und Modifikationen ohne Verlassen des Gedankens und Schutzbereichs der Beschreibung erkennen lassen. Zum Beispiel könnten Einzylinder-, I2-, I3-, I4-, I5-, V6-, V8-, V10-, V12- und V16-Motoren, die mit Erdgas, Benzin, Diesel oder mit alternativen Kraftstoffkonfigurationen betrieben werden, die vorliegende Beschreibung vorteilhaft nutzen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5855117 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN-1.4848-Material [0038]

Claims (20)

  1. Turbolader, der Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen einstellbaren Kern, der von dem Gehäuse zumindest teilweise um seinen Umfang umgeben ist, wobei der einstellbare Kern Folgendes umfasst: einen Turbinenrotor, der über eine Welle mit einem Verdichterrotor gekoppelt ist; und einen mit dem einstellbaren Kern gekoppelten Einstellmechanismus, der dazu konfiguriert ist, eine axiale Position des Gehäuses bezüglich des einstellbaren Kerns als Reaktion auf Einstellbefehle einzustellen.
  2. Turbolader nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen Verdichterdiffusor und eine Turbinenspirale umfasst, wobei der Verdichterdiffusor dazu konfiguriert ist, Luft von einem Verdichterrotor zu empfangen, und wobei die Turbinenspirale dazu konfiguriert ist, Abgas in einen Turbinenrotor zu leiten.
  3. Turbolader nach Anspruch 1, der weiterhin eine zweite Turbinenspirale umfasst, die dazu konfiguriert ist, Abgas zum Turbinenrotor zu leiten.
  4. Turbolader nach Anspruch 3, wobei die erste und die zweite Turbinenspirale durch einen Teiler getrennt sind.
  5. Turbolader nach Anspruch 4, wobei der Teiler einen Kühlmittelkanal enthält, der zum Leiten von Kühlmittel dort hindurch konfiguriert ist.
  6. Turbolader nach Anspruch 1, wobei der einstellbare Kern einen sich davon erstreckenden Einstellstift enthält.
  7. Turbolader nach Anspruch 6, wobei der Einstellstift beweglich in einer Bahn positioniert ist.
  8. Turbolader nach Anspruch 7, wobei sich die Bahn um den Umfang des einstellbaren Kerns erstreckt und ein erstes Ende enthält, das von einem zweiten Ende axial versetzt ist.
  9. Turbolader nach Anspruch 1, wobei eine die Turbine und den Verdichter koppelnde Welle axial einstellbar ist.
  10. Turbolader, der Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen axial einstellbaren Kern, der von dem Gehäuse um seinen Umfang umgeben ist, wobei der Kern Folgendes umfasst: einen Turbinenrotor, der über eine Welle mit einem Verdichterrotor gekoppelt ist, eine Verdichterströmungsführung, die zwischen einem Diffusor und einem Verdichterrotor strömungsgekoppelt ist, und eine Turbinenströmungsführung, die zwischen einer ersten und einer zweiten Turbinenspirale und einem Turbinenrotor strömungsgekoppelt ist.
  11. Turbolader nach Anspruch 10, der weiterhin einen mit dem axial einstellbaren Kern gekoppelten Einstellmechanismus umfasst, der dazu konfiguriert ist, die axiale Position des Gehäuses bezüglich des axial einstellbaren Kerns als Reaktion auf Einstellbefehle einzustellen.
  12. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die erste Turbinenspirale eine andere Geometrie als die zweite Turbinenspirale aufweist.
  13. Turbolader nach Anspruch 10, wobei der axial einstellbare Kern den Verdichter bezüglich des Diffusors und die Turbine bezüglich der ersten und der zweiten Spirale gleichzeitig verschiebt.
  14. Turbolader, der Folgendes umfasst: ein Gehäuse, das einen Verdichterdiffusor, der dazu konfiguriert ist, Einlassluft von einem Verdichterrotor zu empfangen, und eine erste und eine zweite Turbinenspirale, die dazu konfiguriert sind, Abgas zu einem Turbinenrotor zu leiten, enthält; einen einstellbaren Kern, der dazu konfiguriert ist, sich bezüglich des Gehäuses in einer axialen Richtung zu bewegen, wobei der einstellbare Kern Folgendes umfasst: einen mittleren Kernabschnitt, der eine Welle enthält, die den Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor drehbar koppelt; einen ersten Umfangskernabschnitt, der eine Verdichterströmungsführung enthält, die dazu konfiguriert ist, Luftstrom in den Verdichterdiffusor von dem Verdichterrotor zu leiten; einen zweiten Umfangskernabschnitt, der eine Turbinenströmungsführung enthält, die dazu konfiguriert ist, Abgasstrom von der ersten und der zweiten Turbinenspirale zum Turbinenrotor zu leiten; einen mit dem einstellbaren Kern gekoppelten Einstellmechanismus, der dazu konfiguriert ist, die axiale Position des Gehäuses bezüglich des einstellbaren Kerns als Reaktion auf Einstellbefehle einzustellen.
  15. Turbolader nach Anspruch 14, wobei der mittlere Kernabschnitt über mehrere geschlitzte Verlängerungen, die sich über einen Teil der Auslässe der ersten und der zweiten Spirale erstrecken, mit einer Turbinenströmungsführung gekoppelt ist.
  16. Turbolader nach Anspruch 14, wobei der mittlere Kernabschnitt über mehrere geschlitzte Verlängerungen, die sich über einen Teil eines Einlasses des Verdichterdiffusors erstrecken, mit einer Verdichterströmungsführung gekoppelt ist.
  17. Turbolader nach Anspruch 4, wobei der Einstellmechanismus dazu konfiguriert ist, den Abgasstrom durch die erste und/oder die zweite Turbinenspirale einzustellen.
  18. Turboladersteuerungsverfahren, das Folgendes umfasst: Einstellen des Verdichterauslassstroms und/oder des Turbineneinlassstroms des Turboladers über axiales Verschieben einer einen Verdichterrotor und einen Turbinenrotor in einem festgelegten Gehäuse koppelnden Welle.
  19. Turboladersteuerungsverfahren nach Anspruch 18, wobei das Einstellen des Verdichterauslassstroms und/oder des Turbineneinlassstroms Verringern oder Erhöhen der Durchflussrate des Abgases von der Turbinenspirale zu dem Turbinenrotor umfasst.
  20. Turboladersteuerungsverfahren nach Anspruch 18, wobei das Einstellen des Verdichterauslassstroms und/oder des Turbineneinlassstroms im Wesentlichen Sperren des Abgasstroms von der Turbinenspirale zu dem Turbinenrotor umfasst.
DE102012223015A 2011-12-21 2012-12-13 Turbolader mit verstellbarem Kern Withdrawn DE102012223015A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/333,189 US8840365B2 (en) 2011-12-21 2011-12-21 Adjustable core turbocharger
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