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Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung, insbesondere Abblaseventil- oder Bypassventileinrichtung für einen Abgasturbolader gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Abgasturbolader gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Abgasturbolader weisen üblicherweise eine Turbine und einen Verdichter auf, die miteinander mechanisch wirkverbunden sind, so dass die durch das Abgas angetriebene Turbine ein Drehmoment auf den Verdichter auswirkt, welcher wiederum angesaugte Frischluft verdichtet und dem Verbrennungsmotor zuführt. Um die Leistung des Verdichters beeinflussen zu können ist es bekannt, der Turbine einen schaltbaren Bypasskanal oder Abblasekanal zuzuordnen, um bei Bedarf das Abgas teilweise oder vollständig an der Turbine vorbei zu leiten, so dass das auf den Verdichter übertragene Drehmoment und damit die Leistung des Verdichters verringert wird. Zum Schalten des Bypasskanals oder Abblasekanals ist dabei in der Regel eine Ventileinrichtung vorgesehen, die mittels eines Ventilelements den Bypasskanal sperrt, teilweise sperrt oder (vollständig) freigibt, wobei das Ventilelement insbesondere durch Druckluftbeaufschlagung entgegen einer Federkraft verlagerbar ist.
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Eine entsprechende Ventileinrichtung geht beispielsweise aus der
DE 10 2011 013 429 B4 hervor. Diese offenbart eine Ventileinrichtung mit einem Gehäuse und mit einem Ventilteller und Ventilschaft aufweisenden Ventilelement, wobei der Ventilschaft in einer Ventilführung des Gehäuses axial verschieblich gelagert ist und an seinem dem Ventilteller gegenüberliegenden Ende mit einer flexiblen Membran verbunden ist, die zusammen mit dem Gehäuse eine Druckkammer zur Betätigung der Ventileinrichtung bildet, wobei die Druckkammer einen Druckluftanschluss aufweist und wobei der Ventilteller im unbetätigten Zustand federbeaufschlagt gegen einen Ventilsitz gedrängt ist, um einen Strömungskanal beziehungsweise den zu verwendenden Bypasskanal zu sperren.
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Bei derartigen Membranventilen ist es wichtig, dass die Membran vor einer Überhitzung geschützt wird, so dass sie nicht beschädigt wird. Die genannte Druckschrift sieht zum Schutz der Membran ein in der Druckkammer liegendes Strahlblech mit Öffnungen vor, durch welche die von dem Druckluftanschluss in die Druckkammer strömende Luft strömen kann, um anschließend aus der Druckkammer entlang des Ventilschafts durch die Ventilführung in den Strömungskanal abgeführt zu werden. Dadurch soll die Druckkammer kontinuierlich mit Luft durchströmt werden, wodurch Wärme aus der Druckkammer kontinuierlich abgetragen und damit die Membran geschützt werden soll.
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Die bekannte Lösung hat jedoch den Nachteil, dass bei bestimmten Anwendungen oder Situationen, beispielsweise im Unterwasserbetrieb eines U-Boots, der in dem Strömungskanal vorliegende Druck den Druck in der Druckkammer ausgleichen oder sogar übersteigen kann, so dass heißes Abgas aus dem Strömungskanal in die Druckkammer gelangen, sich dort stauen und die Membran entsprechend aufheizen kann. Für Unterwasseranwendungen ist daher die bekannte Lösung nur bedingt geeignet.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Ventileinrichtung sowie einen Abgasturbolader zu schaffen, die auch unter extremen Bedingungen, bei welchen beispielsweise ein hoher Abgasgegendruck auftritt, eine Überhitzung der Membran sicher verhindern.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einer Ventileinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese hat den Vorteil, dass die Druckluft die Druckkammer nicht dadurch verlässt, dass sie in den Strömungskanal gelangt, sondern dass die Druckluft gegebenenfalls zusammen mit aus dem Strömungskanal in die Ventilführung gelangtem gasförmigem Medium, insbesondere heißem Abgas, einem Luftauslass des Gehäuses zugeführt wird, durch welchen die Druckluft und das Medium aus der Ventileinrichtung entweichen. Der Luftauslass ist dabei unabhängig von dem Strömungskanal ausgebildet. Dies bedeutet, dass der in dem Luftauslass herrschende Druck unabhängig von dem in dem Strömungskanal vorliegenden Druck ist. Damit kann gewährleistet werden, dass die durch den Luftauslass gebildete Drucksenke stets einen Druck aufweist, der unterhalb des Drucks in dem Strömungskanal liegt, so dass ein sicheres Abführen heißer Abgase und damit ein Überhitzen der Membran sicher in jeder Situation vermieden werden kann. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass das Gehäuse den von dem Strömungskanal unabhängigen Luftauslass aufweist, durch welchen die Druckluft aus der Druckkammer und gasförmiges Medium, das aus dem Strömungskanal in die Ventilführung gegebenenfalls gelangt ist, aus der Ventileinrichtung entweichen. Der Druckluftanschluss wird dabei bevorzugt durch einen Kanal gebildet, der durch das Gehäuse verläuft und in die Druckkammer direkt mündet. Der Strömungskanal kann dabei ein Bestandteil der Ventileinrichtung oder beispielsweise Teil des Abgasturboladers sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Luftauslass in einer die Druckkammer bildenden Wandung des Gehäuses ausgebildet ist. Damit werden bevorzugt der Druckluftanschluss und der Luftauslass beide jeweils von dem Gehäuse gebildet. Der Luftauslass kann dabei beispielsweise ebenfalls in Form eines Kanals oder einer Durchbohrung in der Wandung des Gehäuses ausgebildet sein. In diesem Fall strömt die durch den Druckanschluss in die Druckkammer eingebrachte Luft durch die Druckkammer und verlässt diese wieder durch den Luftauslass. In die Ventilführung gelangtes Medium beziehungsweise Abgas kann dabei zwar bis in die Druckkammer strömen, wird dann jedoch sofort von dem eingebrachten Druckluftstrom aus der Druckkammer durch den Luftauslass heraus transportiert, so dass ein Überhitzen der Membran sicher verhindert wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Luftauslass der Ventilführung zugeordnet ist. Im Unterschied zu der vorher beschriebenen Ausführungsform gelangt hierbei in die Ventilführung gelangtes Abgas erst gar nicht in die Druckkammer, da der Luftauslass bereits der Ventilführung zugeordnet ist und somit heißes Abgas bereits in der Ventilführung abgeführt wird. Die in die Druckkammer eingebrachte Druckluft wird dabei von der dem Strömungskanal gegenüberliegenden Seite der Ventilführung in die Ventilführung gedrängt, und verlässt zusammen mit dem Medium aus dem Strömungskanal die Ventilführung durch den Luftauslass. Dadurch wird verhindert, dass heißes Abgas überhaupt in die Druckkammer gelangt. Zweckmäßigerweise weist dazu die Druckkammer neben dem Druckluftanschluss und dem Leckagekanal entlang der Ventilführung keine weitere Öffnung auf, durch welche die Druckluft entweichen könnte, sodass sie stets in die Ventilführung gedrängt wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einem Axialabschnitt der Ventilführung eine Mischkammer ausgebildet ist, welcher der Luftauslass zugeordnet ist. Im Bereich der Ventilführung ist also eine Mischkammer vorgesehen, in welcher sich die Druckluft aus der Druckkammer und das Abgas aus dem Strömungskanal treffen beziehungsweise vermengen, um zusammen durch den Luftauslass abgeführt zu werden. Im Unterschied zu der übrigen Ausbildung der Ventilführung weist die Mischkammer ein größeres Volumen zur Aufnahme der Gase auf, wobei die Mischkammer axial gesehen beidseitig geschlossen ist, also einen definierten Abschnitt innerhalb der Ventilführung bildet und nicht zu der Druckkammer hin oder dem Strömungskanal hin axial randoffen ausgebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischkammer von einer abschnittsweisen Durchmesserverjüngung des Ventilschafts gebildet ist. Durch die Verjüngung des Ventilschafts lässt sich auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Volumenvergrößerung in der Ventilführung realisieren. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischkammer von einer abschnittsweisen Durchmesservergrößerung der Ventilführung gebildet ist. Dadurch kann der Ventilschaft in seiner ursprünglichen Form belassen werden, was beispielsweise Vorteile bezüglich der Stabilität und Belastbarkeit des Ventilelementes mit sich bringt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischkammer sowohl durch eine Durchmesserverjüngung des Ventilschafts als auch durch eine Durchmesservergrößerung in der Ventilführung (jeweils abschnittsweise in Längserstreckung gesehen) gebildet wird, die in jeder Stellung des Ventilelementes sich zumindest teilweise überlagern. Diese Variante ist dann von Vorteil, wenn eine besonders große Mischkammer benötigt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Luftauslass eine Drosseleinrichtung zugeordnet, insbesondere vorgeschaltet ist. Die Drosseleinrichtung sorgt dafür, dass die durch den Druckluftanschluss in die Druckkammer eingebrachte Luft die Druckkammer nicht verlässt, ohne Arbeit an der Membran zur Betätigung des Ventils verrichten zu können. Die Drosseleinrichtung kann dabei beispielsweise durch einen entsprechend kleinen Durchströmungsquerschnitt des Luftauslasses realisiert werden. Alternativ wird in dem Luftauslass ein Drosselelement mit einem entsprechend kleinen Durchströmungsquerschnitt eingebracht beziehungsweise eingesetzt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung als Bypassventileinrichtung oder Abblasventileinrichtung ausgebildet ist, wobei der Strömungskanal ein Bypasskanal beziehungsweise Abblasekanal, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, ist. Besonders bevorzugt ist die Ventileinrichtung zur Verwendung in U-Booten ausgebildet, wo sie insbesondere bei einem Unterwasserbetrieb des U-Bootes trotz eines erhöhten Abgasgegendrucks des Abgasturboladers eine Überhitzung der Membran sicher verhindert.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Dieser weist die erfindungsgemäße Ventileinrichtung auf, die einem Bypasskanal oder Abblasekanal der Turbine zugeordnet ist. Es ergeben sich hierbei die bereits genannten Vorteile.
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Vorzugsweise ist der Druckluftanschluss der Ventileinrichtung dabei mit einer Hochdruckseite des Verdichters verbunden. So dass der stromabwärts des Verdichters liegende Luftdruck zur Betätigung der Ventileinrichtung genutzt wird. Dabei ist der Ventileinrichtung zweckmäßigerweise auch ein Stellventil zugeordnet, mittels welchem der auf die Druckkammer wirkende Luftdruck eingestellt werden kann.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Luftauslass mit einer Niederdruckseite des Verdichters verbunden ist. Auf der Niederdruckseite des Verdichters herrscht in der Regel ein Druck, der weit unterhalb des Drucks in dem Strömungskanal liegt. Insbesondere kann an der Niederdruckseite des Verdichters ein Unterdruck herrschen, der ein Absaugen von Druckluft und Abgas aus der Ventileinrichtung zum Vermeiden einer Überhitzung der Membran sicher gewährleistet.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor in einer vereinfachten Darstellung,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ventileinrichtung des Abgasturboladers in einer vereinfachten Schnittdarstellung und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Ventileinrichtung in einer vereinfachten Schnittdarstellung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Abgasturbolader 1 für eine hier nicht dargestellte Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines U-Boots. Der Abgasturbolader 1 weist wie üblich eine Turbine 2 sowie einen Verdichter 3 auf. Turbine 2 und Verdichter 3 weisen dabei jeweils ein Laufrad 4 beziehungsweise 5 auf, die durch eine Welle 6 starr miteinander wirkverbunden sind. Durch einen Zulaufkanal 7 wird dem Verdichter 2 Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Der Zulaufkanal 7 kann insofern den Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine darstellen. Nachdem das Abgas an dem Laufrad 4 Arbeit verrichtet hat, verlässt es den Verdichter 2 über einen Ablaufkanal 8, beispielsweise um in einer stromabwärts gelegenen Abgasnachbehandlungseinrichtung von Schadstoffemissionen bereinigt zu werden. Das Laufrad 4, das durch das Abgas angetrieben wurde, überträgt durch die Welle 6 ein Drehmoment auf das Laufrad 5, welches Frischluft durch einen Frischluftkanal 9 ansaugt, verdichtet und durch einen Auslass 10 der Verbrennungskraftmaschine zuführt. Pfeile in 1 deuten die Strömungsrichtungen der jeweiligen Gase an.
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Um die Leistung des Verdichters 3 beziehungsweise des Abgasturboladers 1 beeinflussen zu können, ist der Turbine 2 ein Bypasskanal 11 zugeordnet, der von dem Zulaufkanal zu dem Ablaufkanal unter Umgehung der Turbine 2 führt. Dem Bypasskanal ist eine Ventileinrichtung 12 zugeordnet, mittels welcher der Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals 11 an einer Stelle im Bypasskanal 11 einstellbar ist, sodass mittels der Ventileinrichtung 12 der Bypasskanal 11 vollständig verschlossen, teilweise freigegeben oder vollständig freigegeben werden kann, um bei Bedarf Abgas an der Turbine 2 vorbei zu leiten, das dann entsprechend keine Arbeit an dem Laufrad 4 verrichtet, wodurch der Verdichter 3 eine geringere Leistung erzielt.
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Die Ventileinrichtung 12 soll im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele von 2 und 3 näher erläutert werden. Die 2 und 3 zeigen dazu die Ventileinrichtung 12 jeweils in einer vereinfachten Schnittdarstellung. Zunächst sollen die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele erläutert werden.
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Die Ventileinrichtung 12 weist ein Gehäuse 13 auf, das auf dem Bypasskanal 11 befestigbar beziehungsweise befestigt ist. Das Gehäuse 13 weist eine Ventilführung 14 in Form einer Durchbohrung auf. In der Ventilführung 14 ist ein Ventilschaft 15 eines Ventilelements 16 axial verschieblich gelagert. Dabei ist der Außendurchmesser des Ventilschafts 16 nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Ventilführung, um eine gute Verlagerbarkeit des Ventilelements 16 zu gewährleisten. Der Strömungskanal 11 weist eine Öffnung 17 auf, durch welche der Ventilschaft 15 in den Bypasskanal 11 hineinragt. An den dem Strömungskanal 11 zugewandten Ende des Ventilschafts 15 weist das Ventilelement 12 einen Ventilteller 18 auf, der mit einem in dem Strömungskanal 11 vorgesehenen Ventilsitz 19 zum Sperren des Strömungskanals 11 in Wirkverbindung bringbar ist.
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Auf den dem Ventilteller 18 gegenüberliegenden Ende des Ventilschafts 15 ist dem Ventilelement eine pneumatische Aktoreinrichtung 20 zugeordnet. Diese weist ein topfförmiges Gehäuse 21 auf, dem ein erster Druckluftanschluss 22 zugeordnet ist. Mit seinem offenen Ende ist das Gehäuse 21 dem Gehäuse 13 zugewandt an dem Gehäuse 13 befestigt. Das dem Ventilteller 18 gegenüber liegende Ende des Ventilschafts 15 ragt in das Gehäuse 21 hinein und ist dort mit einem becherförmigen Stützelement 23 zumindest axial formschlüssig verbunden. Zwischen dem Stützelement 23 und dem Boden des Gehäuses 21 sind ein oder mehrere Federelemente 24, vorliegend zwei koaxial angeordnete Schraubenfedern, angeordnet, die über das Stützelement 23 das Ventilelement 16 mit dem Ventilteller 18 in dem Ventilsitz 19 zum Sperren des Strömungskanals 11 zu drängen. Zwischen dem Gehäuse 13 und dem Gehäuse 21 ist außerdem eine flexible und luftundurchlässige Membran 25 angeordnet, die zusammen mit dem Gehäuse 13 eine Druckkammer 26 bildet. Dazu weist das Gehäuse 13 auf der der Aktoreinrichtung 20 zugewandten Stirnseite eine entsprechend gestaltete Vertiefung auf. In dem dadurch gebildeten, die Druckkammer darstellenden Hohlraum zwischen Gehäuse 13 und Membran 25 kann optional, wie in den Figuren dargestellt, ein Hitzeschutzblech 27, beispielsweise mit Öffnungen versehen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, vorgesehen sein, um die Membran 25 vor zu hohen Temperaturen zu schützen.
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In dem Gehäuse 13 ist ein zweiter Druckluftanschluss 28 vorgesehen, der in die Druckkammer 26 mündet. Die Druckluftanschlüsse 22 und 28 sind insbesondere mit dem Auslass 10 des Verdichters 3 strömungstechnisch verbunden, wobei dem Druckluftanschluss 22 ein Ventil, insbesondere Proportionalventil 29, vorgeschaltet ist, mittels dessen eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Gehäuses 21 und der Druckluftkammer 26, die durch die Membran 25 voneinander getrennt werden, einzustellen. Durch die eingestellte Druckdifferenz lässt sich das Ventilelement 16 betätigen beziehungsweise in eine gewünschte Stellung verlagern. Auch ist es denkbar, die Druckluftventile 22, 28 und das Proportionalventil 29 mit einem Ladeluftkühler 30, wie in den Figuren dargestellt, zu verbinden.
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Unter extremen Betriebsbedingungen, beispielsweise im Unterwasserbetrieb des vorgenannten U-Bootes, kann es vorkommen, dass der Abgasgegendruck, der in dem Ablaufkanal 8 herrscht, größer ist, als der in der Druckkammer 26 einstellbare Druck, wodurch heißes Abgas von dem Strömungskanal 11 bis in die Druckkammer 26 entlang der Ventilführung 14 in Form eines Leckagestroms gedrängt wird.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 ist vorgesehen, dass in der Ventilführung eine Mischkammer 31 vorgesehen ist, die durch eine Durchmesservergrößerung beziehungsweise eine Umfangsnut 32 in der Ventilführung 14 entlang eines abgeschlossenen Axialabschnittes der Ventilführung 14 gebildet ist. Von der Mischkammer 31 führt ein Kanal 33 durch das Gehäuse 13 zu einem Luftauslass 34, der strömungstechnisch mit dem Frischluftkanal 9 verbunden ist, wie durch Pfeile angedeutet.
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Durch die Anbindung des Luftauslasses 34 an den Frischluftkanal 9 auf der Niederdruckseite des Verdichters 3 wird erreicht, dass an dem Luftauslass 34 stets ein Druck herrscht, der unterhalb des Drucks in dem Strömungskanal 11 vor oder nach der Ventileinrichtung 12, insbesondere stromaufwärts der Ventileinrichtung 12, aufgrund des von der Verbrennungskraftmaschine kommenden Abgases herrscht. Dadurch wird gewährleistet, dass jederzeit heißes Abgas, das entlang der Ventilführung 14 an dem Ventilschaft 15 vorbei in Richtung der Druckkammer 26 strömt, in der Mischkammer 31 durch die von der Druckkammer entlang der Ventilführung 14 an dem Ventilschaft 15 vorbeiströmenden Druckluft durch den Luftauslass 34 zu dem Frischlufteinlass 9 getrieben wird. Aufgrund der Druckunterschiede kann sichergestellt werden, dass zu keiner Zeit heißes Abgas bis zu der Membran 25 gelangen und diese beschädigen kann.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3 ist vorgesehen, dass anstelle einer Mischkammer 31 im Bereich der Ventilführung der Luftauslass 34 der Druckkammer 26 direkt zugeordnet ist. Die durch den Druckluftanschluss 28 in die Druckkammer 26 eingebrachte Druckluft verlässt diese somit wieder durch den Luftauslass 34, ohne in die Ventilführung 14 gelangen zu müssen. Gegebenenfalls entlang der Ventilführung 14 an dem Ventilschaft 15 vorbei in Richtung der Druckkammer 26 strömendes Abgas wird dabei von der durch die Druckkammer 26 strömenden Druckluft sofort aus der Druckkammer 26 wieder durch den Luftauslass 34 entfernt. Somit wird auch gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3 gewährleistet, dass die Membran 25 durch das heiße Abgas nicht beschädigt werden kann. Zweckmäßigerweise liegt dabei der Luftauslass 34 auf der dem Druckluftanschluss 28 gegenüberliegenden Seite der Druckkammer 26, sodass diese vollständig von der Druckluft durchströmt und gegebenenfalls in die Druckkammer 26 gelangtes Abgas ausgetrieben werden kann.
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Insgesamt erlaubt somit der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 beziehungsweise die vorteilhafte Ventileinrichtung 12, dass die Membran 25 keinen gefährlich heißen Temperaturen ausgesetzt wird, auch wenn ein Abgasgegendruck erwartungsgemäße Werte übersteigt. Somit bietet die Ventileinrichtung 12 auf einfache und auch kostengünstige Art und Weise eine besonders hohe und dauerhafte Funktionssicherheit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011013429 B4 [0003]
