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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader sowie ein mehrflutiges Spiralgehäuse für einen Abgasturbolader.
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Übliche Abgasturbolader werden genutzt, um die Motorleistung insbesondere von Kraftfahrzeugen zu optimieren. Hierzu weisen die Abgasturbolader ein Turbinenrad auf, in dem über mindestens eine Volute der Abgasstrom des Motors zugeführt wird, so dass sich das Turbinenrad in Drehung versetzt. Mit dem Turbinenrad ist über eine gemeinsame Welle ein Verdichterrad verbunden, so dass sich die Drehung des Turbinenrads auf das Verdichterrad überträgt. Durch das Verdichterrad wird Luft angesaugt bzw. komprimiert und in die Zylinder des Motors eingeleitet. Hierdurch wird die Leistung des Motors erhöht.
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Um eine möglichst effektive Übertragung der kinetischen Energie des Abgasstroms auf das Turbinenrad zu erreichen, wird bei bekannten Abgasturboladern eine an den jeweiligen Motor speziell angepasste Schaufelgeometrie vorgesehen. Gleichzeitig muss hierauf die Geometrie der Volute abgestimmt werden, so dass ein optimales Zusammenwirken entsteht, um ein Maximum an Wirkungsgrad zu erzielen. Die Geometrie der Volute wird dabei üblicherweise ausgedrückt durch ein Verhältnis V von einer Querschnittsfläche A einer Volute zu einem Radius r, wobei der jeweilige Radius r sich von einer Laufradachse des Turbinenrads zu einem jeweiligen Schwerpunkt der Querschnittsfläche A erstreckt.
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Die Voluten werden üblicherweise auch als Fluten bezeichnet, so dass im Nachfolgenden diese Bezeichnungen synonym verwendet werden.
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Es ist dabei gewünscht, dass für die Erzeugung eines vergleichmäßigten Drehmoments über die Welle ein gleichmäßiges Anströmen des Turbinenrads durch den Abgasstrom sicher gestellt wird. Dies wird im Stand der Technik gewährleistet durch einen linear abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V, durch den ein gleichmäßiger Masseeintrag in das Turbinenrad über den Umfang erhalten werden soll.
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Üblicherweise werden mehrflutige Abgasturbolader bzw. mehrflutige Spiralgehäuse im Abgasturbolader verwendet. Hierdurch erfolgt eine Trennung der Vorauslassstöße der Motorzylinder, wodurch eine Reduktion des Restgasanteils im Zylinder und damit der Klopfneigung erzielt werden kann. Dabei steht die Anzahl der Fluten im Verhältnis zu der Anzahl der Motorzylinder. Somit sind auch Abgasturbolader mit mehr als zwei Fluten bekannt.
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Zur weiteren Steigung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers neben dem oben beschriebenen gleichmäßigen Masseneintrag beschreibt die
DE 23 604 68 A , dass durch eine veränderte Querschnittsfläche der Voluten Einfluss genommen werden kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Diese kann durch eine angepasste Querschnittsfläche der Volute optimiert werden, zur optimierten Energieübertragung auf das Turbinenrad. Dies weist jedoch den grundsätzlichen Nachteil auf, dass durch eine insbesondere düsenförmige Querschnittsänderung ein Verlust an Energie im Abgasstrom und damit gleichzeitig einem Wirkungsgradverlust einhergeht. Der Wirkungsgrad des Abgasturboladers wird wie oben dargelegt erhöht durch einen gleichmäßigen Masseeintrag in das Turbinenrad über den Umfang. Jedoch kann der Wirkungsgrad weiter erhöht werden, wenn der Masseeintrag nicht nur irgendwie, sondern stets unter dem gleichen Eintrittswinkel über den Umfang des Turbinenrads in dieses eintritt. Dabei sind der Masseeintrag und der gleichbleibende Eintrittswinkel konstruktive üblicherweise derart miteinander verknüpft, dass bei Erreichen eines gleichbleibenden Eintrittswinkels in das Turbinenrad im Wesentlichen sich auch ein gleichmäßiger Masseeintrag einstellt. Üblicherweise verwendet man daher Leitschaufeln, die im Gehäuse angeordnet werden und durch welche der homogene Eintrittswinkel sicher gestellt wird. Das Vorsehen von Leitschaufeln ist jedoch konstruktiv aufwendig und verhindert gleichzeitig einen möglichst ungehinderten und möglichst großen Massedurchfluss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Abgasturbolader sowie ein Spiralgehäuse für einen Abgasturbolader zu schaffen mit einem optimierten Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Auslegung eines Abgasturboladers bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Abgasturbolader nach Anspruch 1, ein Spiralgehäuse nach Anspruch 13, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 14.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist ein mehrflutiges Spiralgehäuse der Abgasturbine auf. Zumindest eine der Fluten des Spiralgehäuses weist zumindest über einen Abschnitt einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V von einer Querschnittsfläche A einer Flut zu einem Radius r auf, wobei sich der jeweilige Radius r von einer Laufradachse eines Turbinenrads der Abgasturbine zu einem jeweiligen Schwerpunkt der Querschnittsfläche A erstreckt. Das Verhältnis V ist somit definiert als V = A/r. Somit weist der Abschnitt ein veränderliches Verhältnis V auf, wobei die Änderung von V nicht linear ist, sondern die Änderung des Verhältnisses V am Anfang kleiner ist als am Ende des Abschnitts gesehen in Umfangsrichtung. Die Ableitung über den Abschnitt ist dabei nicht konstant bzw. die mathematisch zweite Ableitung des Verlaufs des Verhältnisses V ist ungleich Null. Durch den progressiv abnehmenden Verlauf des Abschnitts der zumindest einen Flut wird ein homogener Eintrittswinkel sowie ein homogener Masseeintrag des Abgasstroms in die Abgasturbinen über deren Umfang erreicht. Hierdurch können über den Umfangswinkel des Abschnitts, im Wesentlichen gleichbleibende Anströmungsverhältnisse erreicht werden, so dass die Abgasturbinenschaufel an diese gleichmäßigen Anströmverhältnisse angepasst werden kann, was zu einem besseren Wirkungsgradverhalten der Turbine und damit allgemein zu einer verbesserten Interaktion der Verbrennungskraftmaschine und dem Turbolader führt. Der homogene Eintrittswinkel des Abgasstroms sowie der homogene Masseneintrag in die Abgasturbine über deren Umfang wird dabei vorzugsweise ohne Leitschaufeln erreicht. Die vorstehend beschriebene Erfindung umfasst gleichzeitig den Sonderfall, dass der Radius r konstant ist und sich lediglich die Querschnittsfläche A progressiv ändert.
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Vorzugsweise weist jede Flut entlang mindestens eines Abschnitts einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V auf. Somit sind die vorstehend beschriebenen Vorteile für jede Flut erreicht, wodurch eine weitere Verbesserung des Wirkungsgradverhaltens erzielt wird.
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Vorzugsweise weist zumindest eine der Fluten einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V über mindestens 60% der Flutlänge, was bei einem zweiflutigen Doppelstromgehäuses einem Umfangswinkel von zumindest 120° entspricht. Bei mehrflutigen oder asymmetrischen Flutaufteilungen entsprechen die mindestens 60% der Flutlänge, die einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V aufweisen, nicht unbedingt 120°. Hierbei ist auf die spezielle Ausgestaltung der einzelnen Fluten abzustellen. Bei einem vierflutigen Gehäuse, welches symmetrisch ausgebildet ist, entspricht 60% gerade einem Umfangswinkel von 54°. Hierdurch wird beispielsweise erreicht, dass über einen großen Umfangswinkel der Eintrittswinkel des Abgasstroms im Wesentlichen gleich bleibt, so dass über diesen großen Umfangswinkel eine besonders effektive Energieübertragung auf die Abgasturbinenschaufel erreicht wird.
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Vorzugsweise endet der progressiv abnehmende Verlauf des Verhältnisses V in unmittelbarer Nähe eines Strömungsauslaufs der Flut. Insbesondere endet somit ein Abschnitt eines progressiv abnehmenden Verlaufs des Verhältnisses V in unmittelbarer Nähe des Strömungsauslaufs der Flut. Der Abschnitt ist somit in Strömungsrichtung insbesondere nachgeordnet. Vorzugsweise kann ein stromaufwärts liegender Abschnitt einen konstanten Verlauf des Verhältnisses V oder einen linear abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V aufweisen, wobei sich dieser Abschnitt besonders bevorzugt in unmittelbarer Nähe zur Einlassöffnung, also dem Hals des Spiralgehäuses, angeordnet ist. Hierdurch kann beispielsweise effektiv durch die Ausgestaltung der Querschnittsfläche A in diesem Bereich Einfluss genommen werden auf die Pulsation des Abgasstroms, so dass der Einfluss der Pulsation auf die Anströmung der Abgasturbinenschaufel reduziert werden kann.
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Insbesondere erstreckt sich der progressiv abnehmende Verlauf des Verhältnisses V über mindestens 80%, bevorzugt 85% und besonders bevorzugt über die gesamte Flutlänge und endet in einem Strömungsauslauf der Flut. Hierdurch wird beispielsweise über einen sehr großen Umfangswinkel ein homogener Eintrittswinkel erreicht, so dass eine optimale Interaktion des Abgasstroms mit der Abgasturbinenschaufel erreicht werden kann. Bei einem zweiflutigen symmetrischen Spiralgehäuse erstreckt sich somit der progressiv abnehmende Verlauf des Verhältnisses V insbesondere über 144°, bevorzugt 153° und besonders bevorzugt über 180° entsprechend der oben genannten Definition.
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Vorzugsweise ist der progressiv abnehmende Verlauf des Verhältnisses V stetig, so dass eine gleichmäßige Strömung erreicht wird. Insbesondere wird hierdurch beispielsweise verhindert, dass Energie an nicht stetigen Abschnitten der Flut verloren geht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erstreckt sich zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt des progressiv abnehmenden Verlaufs des Verhältnisses V ein Zwischenabschnitt, wobei dieser Zwischenabschnitt keinen abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V aufweist. Hierdurch kann beispielsweise eine weitere Optimierung der Interaktion des Abgasstrahls mit der Abgasturbinenschaufel erreicht werden und eine individuelle Anpassung erfolgen.
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Vorzugsweise weist ein entlang eines Strömungspfads stromaufwärts liegender Abschnitt einen geringeren, progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V auf, als ein dazu stromabwärts liegender, progressiv abnehmender Verlauf des Verhältnisses V. Somit kann entlang des Strömungspfads eine Verstärkung der progressiven Abnahme des Verlaufs des Verhältnisses V vorliegen. Anders ausgedrückt ist die zweite mathematische Ableitung des Verhältnisses V entlang des Strömungspfads nicht konstant. Die geringere Abnahme des Verhältnisses V zu Beginn des Strömungspfads dient beispielsweise zur Reduzierung der Pulsation des Abgasstroms, so dass dessen Einfluss auf die Abgasturbinenschaufel bzw. die Anströmverhältnisse der Abgasturbinenschaufel reduziert werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Spiralgehäuse der Abgasturbine zugeordnete verstellbare Leitschaufeln auf. Hierdurch wird beispielsweise über den gesamten Betriebsbereich des Abgasturboladers sicher gestellt, dass eine stets optimale Anströmung der Abgasturbinenschaufel erreicht wird. Insbesondere, falls der Abgasturbolader nur in einem bestimmten Betriebsbereich betrieben wird, kann ein fester Leitkranz vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist jedoch, dass keine Leitschaufeln vorgesehen sind, da der Eintrittswinkel durch die Volutenform mit dem progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V hinreichend bestimmt ist. Nachteile, die sich aus dem Vorsehen von Leitschaufeln ergeben, wie beispielsweise das Entstehen eines Staudrucks, können somit vermieden werden.
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Vorzugsweise ist eine Innenwandkontur von zumindest einer der Fluten des Spiralgehäuses, entlang der das Abgas zur Abgasturbine strömt, veränderbar. Hierdurch kann eine Anpassung der Flutenform an den jeweiligen Betriebsbereich erreicht werden. Dieses ermöglicht, dass in verschiedenen Betriebsbereichen eine optimierte Anströmung der Abgasturbinenschaufel erreicht werden kann.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Spiralgehäuse um ein Doppelstromgehäuse, welches eine erste und mindestens eine zweite Flut aufweist, wobei eine Zwischenwand zwischen den beiden Fluten eine Spiralform bildet und eine der Zwischenwand gegenüberliegende Innenwand des Doppelstromgehäuses einen progressiv enger werdenden Querschnitt bewirkt. Bei dem Spiralgehäuse, insbesondere ausgebildet als Doppelstromgehäuse, können die beiden Fluten auch eine Schraubenform aufweisen, wobei der Radius r weiterhin den Abstand von der Laufradachse der Abgasturbinenschaufel zum jeweiligen Schwerpunkt der Querschnittsfläche A bezeichnet. Alternativ hierzu ist das Spiralgehäuse ausgebildet als Zwillingsstromgehäuse, welches benachbart zueinander zumindest zwei Fluten in Umfangsrichtung nebeneinander verlaufend aufweist, wobei zumindest eine und bevorzugt beide Fluten einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V über einen Umfangswinkel von zumindest 150° aufweisen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Spiralgehäuse für einen Abgasturbolader. Dabei ist das Spiralgehäuse ausgebildet wie vorstehend, anhand des Abgasturboladers beschrieben. Insbesondere wird durch das Spiralgehäuse zumindest eine Flut gebildet, welche zumindest einen Abschnitt aufweist, mit einem progressiv abnehmenden Verlaufs des Verhältnisses V, wie oben definiert.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung eines Abgasturboladers der mit dem obigen Abgasturbolader wie auch unabhängig als eigenständiger Gedanke weiter verfolgt werden kann mit den folgenden Schritten: zunächst wird der Abgasstrom bestimmt. Anhand dieser Charakterisierung erfolgt eine Auslegung einer Schaufelkrümmung einer Abgasturbine. Nachfolgend erfolgt eine Auslegung einer Strömungsführung des Abgasstroms in einer Flut des Abgasturboladers entlang eines Spiralgehäuses des Abgasturboladers unter Berücksichtigung der Charakteristika des Abgasstroms, wobei zumindest über einen Abschnitt ein progressiv abnehmender Verlauf eines Verhältnisses V von einer Querschnittsfläche A der Flut zu einem Radius r ermittelt wird, wobei der jeweilige Radius r sich von einer Laufradachse einer Abgasturbinenschaufel der Abgasturbine zu einem jeweiligen Schwerpunkt der Querschnittsfläche A erstreckt. Hierdurch erfolgt eine optimierte Auslegung des Abgasturboladers bei dem insbesondere ein homogener Eintrittswinkel des Abgasstroms in die Abgasturbinenschaufel bewirkt wird, was zu einem verbesserten Wirkungsgradverhalten des Abgasturboladers führt.
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Insbesondere kann es sich hierbei um ein iteratives Verfahren handeln bei welchem mindestens eine Iteration vorgenommen wird, um eine Schaufelkrümmung und einen Konturverlauf der Flut aufeinander abzustimmen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit einem mehrflutigen Spiralgehäuse, ausgebildet als Doppelstromgehäuse,
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2 ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader mit einem mehrflutigen Spiralgehäuse ausgebildet als Zwillingsstromgehäuse,
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3 beispielhafte parametrisierte Querschnittsfläche eines Zwillingsstromgehäuse,
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4 ein exemplarischer Verlauf des Verhältnisses V bei einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader und
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5 Ergebnis einer nummerischen Strömungssimulation für die Ausführungsform der 1, wobei der relative Eintrittswinkel ins Laufrad abgetragen ist über den Umfangswinkel.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist ein Spiralgehäuse 10 auf, in dem eine Abgasturbinenschafel 12 angeordnet ist. Durch das Spiralgehäuse 10 sowie eine Trennwand 14 werden zwei Strömungskanäle 16, 18 ausgebildet, die am Ende der jeweiligen Zunge 20, 22 in eine erste Flut 24 und in eine zweite Flut 26 münden. Der Abgasstrom, dargestellt durch die Pfeile 28 und 30, wird zu den Fluten 24 und 26 geführt. Im Bereich der Fluten 24, 26 tritt der Abgasstrom in die Abgasturbinenschafel 12 ein und die Energie des Abgasstroms wird durch das Turbinenrad 12 in eine Drehung der Welle 32 übersetzt. Die Voluten erstrecken sich dabei über einen Winkel von ungefähr 180°.
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In der dargestellten Ausführungsform weisen beide Fluten 24, 26 einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V auf. V ist dabei definiert als das Verhältnis einer Querschnittsfläche A (nur sichtbar in 2) zu dem Radius r, welcher sich von einer Laufradachse 27 des Turbinenrads 12 senkrecht zum jeweiligen Schwerpunkt der Querschnittsfläche A erstreckt. Der progressiv abnehmende Verlauf des Verhältnisses V im Ausführungsbeispiel der 1 ist dabei stetig ausgebildet.
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In einer zweiten Ausführungsform, gezeigt in der 2, ist das mehrflutige Spiralgehäuse ausgebildet als Zwillingsstromgehäuse, bei dem die Fluten 34, 36 radial um das Turbinenrad 12 angeordnet sind. Die Fluten 34, 36 weisen dabei wieder einen progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V auf. In die Fluten 34, 36 wird der Abgasstrom durch einen nicht dargestellten Einlass eingeleitet und gelangen über eine Öffnung 40 in das Turbinenrad 12. Dies wird in der 2 durch die Pfeile 42, 44 dargestellt. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind dabei in der 2 mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In beiden Ausführungsformen der 1 und 2 wird durch den progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V der Fluten 24, 26, 34, 36 sichergestellt, dass über den gesamten Umfangswinkel der Abgasstrom unter einem homogenen Eintrittswinkel in den Bereich des Tubinenrads gelangt. Hierdurch kann der Abgasstrom optimiert umgesetzt werden, da eine Anpassung der Schaufelgeometrie des Turbinenrads 12 an den Eintrittswinkel erfolgen kann.
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3 zeigt die Querschnittsfläche einer Flut eines beispielhaften Zwillingsstromgehäuses in parametrisierter Form. Anhand der Parameter der Querschnittsfläche lässt sich der Schwerpunkt der Querschnittsfläche A bestimmen. Hierzu werden die Parameter der Fläche a bis e sowie r1 bis r4 zur Berechnung herangezogen.
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4 zeigt den Verlauf des Verhältnisses V über den Umfangswinkel einer Volute eines Doppelstromgehäuses mit zwei Fluten im Vergleich zum Stand der Technik. Im Stand der Technik, dargestellt durch die Linie 46, nimmt das Verhältnis V linear ab, wodurch ein gleichmäßiger Masseeintrag in das Turbinenrad bewirkt wird. Die vorliegende Erfindung weist einen progressiv abnehmenden Verlauf der Verhältnisses V auf, dargestellt durch die Kurve 48, bei der das Verhältnis V zu Beginn, also für kleine Umfangswinkel, eine geringere Änderung erfährt als am Ende, also für große Umfangswinkel. Es erfolgt zunächst somit eine geringfügige Änderung des Verhältnisses V Gleichzeitig wird durch den progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V ein konstanter Eintrittswinkel des Abgasstroms und gleichzeitig ein homogener Masseeintrag in das Turbinenrad gewährleistet. Dies ist anhand einer nummerischen Strömungssimulation in der 4 dargestellt, wobei wiederum ein Vergleich mit dem Stand der Technik unter der Annahme eines linearen Verlaufs des Verhältnisses V vorgenommen wird. Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein zweiflutiges Doppelstromgehäuse, so dass sich jeder Flut jeweils über einen maximalen Umfangwinkel von 180° erstreckt. Somit ergibt sich, dass durch den progressiv abnehmenden Verlauf des Verhältnisses V ein nahezu konstanter Eintrittswinkel von etwa 20° erreicht wird, über einen Umfangswinkel von ungefähr 10° bis 135°. Somit kann das Turbinenrad optimiert werden auf einen Eintrittswinkel von, in diesem Beispiel 20°, so dass eine optimale Energieübertragung vom Abgasstrom auf das Turbinenrad erfolgen kann. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Abgasturboladers.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spiralgehäuse
- 12
- Turbinenrad
- 14
- Trennwand
- 16
- Strömungskanäle
- 18
- Strömungskanäle
- 20
- Zunge
- 22
- Zunge
- 24
- erste Flut
- 26
- Flut
- 27
- Laufradachse
- 28
- Pfeile
- 30P
- feile
- 32
- Welle
- 34
- Fluten
- 36
- Fluten
- 40
- Öffnung
- 42
- Pfeile
- 44
- Pfeile
- 46
- Linie
- 48
- Kurve
- A
- Querschnittsfläche
- a–e
- Parameter der Querschnittsfläche
- r1–r4
- Parameter der Querschnittsfläche
- V
- veränderliches Verhältnis
- r Radius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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