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Die Erfindung betrifft einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 11.
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Luftführungsabschnitte für Abgasturbolader, die einen veränderbaren Eintrittsquerschnitt stromauf eines Verdichterrades des Luftführungsabschnitts aufweisen, sind bekannt. Diese veränderbaren Eintrittsquerschnitte dienen einer so genannten kennfeldstabilisierenden Maßnahme. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Verschiebung einer Pumpgrenze des Wirkkomplexes Luftführungsabschnitt und Verdichterrad herbeigeführt wird.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2010 026 176 B4 geht ein Luftführungsabschnitt hervor, welcher in seinem Einströmkanal stromauf des Verdichterrades ein bewegbares Element aufweist, welches eine ihm zugewandt ausgebildete Stirnfläche des Verdichterrades überdeckbar ausgebildet ist, wobei die Überdeckung ausgehend von einer Kanalwandung des Einströmkanals Richtung einer Kanalmitte des Einströmkanals erfolgt.
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Eine vergleichbare Vorgehensweise zur Verringerung des Kanalquerschnitts kann der Patentschrift
DE 10 2012 011 423 B3 entnommen werden. Hier ist ein elastisches Element offenbart, dass ausgehend von der Kanalwandung sich durch Zufuhr von Druckluft in Richtung der Kanalmitte ausdehnt um so den Eintrittsquerschnitt zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Abgasturbolader anzugeben, welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden durch einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader ist durchströmbar ausgebildet und weist eine Radkammer zur drehbaren Aufnahme eines Verdichterrades mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln auf. Des Weiteren weist er einen Spiralkanal auf, welcher stromab der Radkammer im Luftführungsabschnitt ausgebildet ist. Zwischen der Radkammer und dem Spiralkanal ist ein Diffusorkanal im Luftführungsabschnitt ausgeführt und stromauf der Radkammer ist ein Eintrittskanal im Luftführungsabschnitt zum Einströmen von zu verdichtendem Fluid ausgebildet. Im Eintrittskanal ist eine Querschnittsänderungsvorrichtung zur Veränderung eines Eintrittsquerschnitts des Eintrittskanals angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Querschnittsänderungsvorrichtung zur Änderung des Eintrittsquerschnitts ausgehend von einem kleinsten Verdichterradeintrittsdurchmesser in Richtung eines größten Verdichterradeintrittsdurchmessers ausgebildet.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts ist die Veränderung des Eintrittsquerschnitts stufenlos herbeiführbar. Der stufenlos variable Eintrittsquerschnitt ermöglicht es in unendlich vielen Zwischengrößen den Eintrittsquerschnitt ausgehend von einer maximalen Größe in eine minimale Größe zu verändern und vice versa.
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Vorteilhaft ist die Querschnittsänderungsvorrichtung druckluftbeaufschlagbar ausgebildet. Die Druckluftbeaufschlagung kann bspw. durch eine Verbindung der Querschnittsänderungsvorrichtung mit dem vorhandenen Verdichter erfolgen, derart, dass vom Verdichter verdichtete Luft der Querschnittsveränderungsvorrichtung zuführbar ist. Das bedeutet, dass bspw. ein nur geringer Bauraumbedarf nötig ist und eine aufwändige Verstellkinematik oder -mechanik nicht notwendig ist.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts weist die Querschnittsänderungsvorrichtung ein elastisch ausgebildetes Wirkelement auf, wobei das Wirkelement die Querschnittsänderung herbeiführend ausgebildet ist. Aufgrund des elastisch ausgeführten Wirkelementes, welches auf einfache Weise, ähnlich eines Luftballons, seinen Durchmesser änderbar ausgestaltet ist, ist keine aufwendige Kinematik der Querschnittsänderungsvorrichtung notwendig, die möglicherweise zu einem Klemmen führen könnte.
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Kostengünstig ist das Wirkelement schlauchartig ausgebildet, wobei es koaxial mit einer Drehachse des Verdichterrades angeordnet ist. Kostengünstig ist die Verfügbarkeit von schlauchartiger Meterware, insbesondere sofern sie als Elastomer ausgebildet ist.
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Ein weiterer Vorteil des aus dem Elastomer ausgebildeten Wirkelementes, ist die Realisierbarkeit einer hohen Dauerfestigkeit des Wirkelementes. Dies ist vonnöten, da das Wirkelement einer hohen Wechselbelastung durch die Befüllung und Entleerung ausgesetzt ist, damit ein gewünschter Ladedruck erreichbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts ist das Wirkelement an seinem dem Verdichterrad zugewandt ausgebildeten ersten Ende und/oder an seinem vom ersten Ende abgewandt ausgebildeten zweiten Ende im Eintrittskanal fixiert. Die Fixierung kann bspw. vorteilhaft mit strömungsgünstig ausgebildeten Streben ausgeführt sein.
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Das Wirkelement ist mit Hilfe einer regelbaren Druckluftzufuhr beaufschlagbar, derart, dass eine exakte Anpassung an ein Schluckvermögen des Verdichters erfolgen kann, wodurch ein Wirkungsgrad des Verdichters steigerbar ist.
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Die Querschnittsänderungsvorrichtung ist mit Hilfe von im Luftführungsabschnitt stromab des Verdichterrades komprimiertem Fluid beaufschlagbar ausgebildet. Somit könnte mit Hilfe einer durchströmbaren und in ihrem Querschnitt regelbaren Leitung zwischen dem Wirkelement und bspw. dem Spiralkanal auf einfache Weise eine Druckluftversorgung ausgebildet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts ist im Eintrittskanal stromauf oder stromab der Querschnittsänderungsvorrichtung ein Leitelement vorgesehen. Damit lässt sich eine weitere Verschiebung der Pumpgrenze und/oder Kennfeldverbreiterung herbeiführen.
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Insgesamt ist die Querschnittsänderungsvorrichtung nur wenige Bauteile aufweisend ausgebildet, wodurch der erfindungsgemäße Luftführungsabschnitt wirksam und kostengünstig herstellbar ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt. Im Abgasführungsabschnitt ist ein Turbinenrad in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen. Im Luftführungsabschnitt ist ein Verdichterrad in einer Radkammer des Luftführungsabschnitts ebenfalls drehbar aufgenommen, wobei das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Luftführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet. Der erfindungsgemäße Luftführungsabschnitt führt im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Verschiebung der Pumpgrenze des Abgasturboladers, so dass eine Steigerung hin zu kleineren Massenströmen durch den Luftführungsabschnitt möglich ist. Insgesamt steigert sich im Bereich der kleinen Massenströme der Wirkungsgrad des Abgasturboladers, und es kann demzufolge eine Reduzierung von verbrennungskraftmaschinenspezifischen Emissionen einer in Verbindung mit dem Abgasturbolader stehenden Verbrennungskraftmaschine herbeigeführt werden.
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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 der Figur 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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Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitt in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 in einem Längsschnittausschnitt den erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitt in einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 3 in einem Längsschnittausschnitt den erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitt in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Ein erfindungsgemäßer Luftführungsabschnitt 1, welcher durchströmbar ausgebildet ist, eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 2 ist in 1 illustriert. Der Luftführungsabschnitt 1 ist in einem Ansaugstrang einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt. Der Abgasturbolader 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, wobei der Luftführungsabschnitt in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar aufgenommen ist.
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Der Abgasturbolader 2 umfasst ein Laufzeug 3, welches ein Verdichterrad 4 zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad 4 mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle 5 aufweist. Die Welle 5 ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 2 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt 1 und dem Abgasführungsabschnitt positioniert ist.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt weist dieser zumindest einen nicht näher dargestellten Spiralkanal und einen stromauf des Spiralkanals im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten nicht näher dargestellten Eintrittskanal auf. Der Eintrittskanal dient einer Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine das Turbinenrad in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 5 wird das Verdichterrad 4 ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Das Verdichterrad 4 ist in einer Radkammer 6 des Luftführungsabschnitts 1 um seine Drehachse 14 drehbar aufgenommen und weist an einer Nabe 7 eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 8 auf. Stromab der Radkammer 6 ist ein ringförmiger Spiralkanal 9 das Verdichterrad 4 umfassend ausgebildet, wobei zwischen dem Spiralkanal 9 und der Radkammer 6 ein Diffusorkanal 10 zur weiteren Konditionierung des vom Verdichterrad angesaugten und verdichteten Fluids ausgestaltet ist. Stromauf der Radkammer 6 weist der Luftführungsabschnitt 1 einen Eintrittskanal 11 auf, über den das zu verdichtende Fluid einströmen kann.
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Im Eintrittskanal 11 ist eine Querschnittsänderungsvorrichtung 12 zur Veränderung eines Eintrittsquerschnitts 13 des Eintrittskanals 11 angeordnet. Die Querschnittsänderungsvorrichtung 12 ist zur Änderung des Eintrittsquerschnitts 13 ausgehend von einem kleinsten Verdichterradeintrittsdurchmesser DK in Richtung eines größten Verdichterradeintrittsdurchmessers DG ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die Änderung des Eintrittsquerschnitts 13 aus seiner Mitte heraus radial nach außen, mit anderen Worten in Richtung einer Kanalwand 15 des Eintrittskanals 11 erfolgt.
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Die Veränderung des Eintrittsquerschnitts 13 von bspw. einem ersten Durchmesser D1 auf einen zweiten Durchmesser D2, in dem das Wirkelement 16 gestrichelt eingezeichnet ist, ist stufenlos herbeiführbar. Ein Wirkelement 16 der Querschnittsänderungsvorrichtung 12, welches den Eintrittsquerschnitt 13 variierbar ausgebildet ist, ist in der Mitte des Eintrittskanals 11 koaxial mit dem Verdichterrad 4 angeordnet. Das Wirkelement 16 ist die Querschnittsänderung herbeiführend ausgebildet. Bevorzugt ist das Wirkelement 16 elastisch ausgebildet, derart, dass eine stufenlose Querschnittsänderung realisierbar ist.
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Der Vorteil des in der Mitte des Eintrittskanals 11 positionierten Wirkelementes 16 ist darin zu sehen, dass das Wirkelement 16 in seiner axialen Erstreckung vornehmlich im Bereich der Nabe 7 positioniert ist und somit die Mehrzahl der Laufradschaufeln 8 im Betrieb des Abgasturboladers 1 bei einem größten Eintrittsquerschnitt 13 (je nach Ausführung der Querschnittsänderungsvorrichtung 12) nahezu rein axial anströmbar sind.
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Das Wirkelement 16 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel schlauchartig und ist in axialer Richtung und radialer Richtung veränderbar. Es ist an seinem ersten Ende 20 an einem ersten Halteelement 17, welches dem Verdichterrad 4 gegenüberliegend unter Einhaltung eines Bewegungsspaltes 18 im Eintrittskanal 11 positioniert ist, und an seinem vom ersten Ende 20 abgewandt ausgebildeten zweiten Ende 21 an einem zweiten Halteelement 19 befestigt. Das heißt mit anderen Worten, dass das Wirkelement 16 sich zwischen dem ersten Halteelement 17 und dem zweiten Halteelement 19, welches durchströmbar ausgebildet ist, erstreckend ausgebildet ist.
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Das erste Halteelement 17 ist koaxial mit dem zweiten Halteelement 19 im Eintrittskanal 11 angeordnet. Es ist im Eintrittskanal 11 mit Hilfe von drei sternförmig angeordneten Streben 22 ausgebildet. Das zweite Halteelement 19 ist ebenfalls mit Hilfe von drei sternförmig aufgenommenen Stützelementen 23 im Eintrittskanal 11 unbewegbar ausgebildet, wobei die Stützelemente 23 durchströmbar ausgeführt sind. Ebenso könnte auch nur eines der Stützelemente 23 durchströmbar ausgestaltet sein.
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Die Querschnittsänderungsvorrichtung 12 weist einen Ausströmabschnitt 29 auf, über den das Wirkelement 16 mit Druckluft befüllbar oder entleerbar ist. Der Ausströmabschnitt 29 ist im ersten Ausführungsbeispiel in Form einer Durchtrittsöffnung ausgestaltet, welche in einem Kontaktbereich der Stützelemente 23, welcher koaxial mit der Drehachse 14 vorliegt, angeordnet ist. Die Halteelemente 17, 19 sind in diesem ersten Ausführungsbeispiel in Form einer stoffschlüssigen Verbindung ausgebildet, welche das Wirkelement 16 druckdicht mit den Streben 22 und dem Ausströmabschnitt 29 verbindet.
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Das durchströmbare Stützelement 23 dient der Beaufschlagung des Wirkelementes 16 mit Druckluft. Die Druckluft wird unabhängig vom Abgasturbolader 2 der Querschnittsänderungsvorrichtung 12 zugeführt. Ebenso könnte sie auch stromab des Verdichterrades 4 dem Luftführungsabschnitt 1 entnommen werden. Zur Reduzierung eines Luftwiderstandsbeiwertes sind die Streben 22 und die Stützelemente 23 ein aerodynamisches Profil aufweisend ausgestaltet.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in 2 dargestellt ist weisen die Halteelemente 17, 19 ein Aufnahmeteil 24 und ein Sicherungsteil 25 auf, wobei das Wirkelement 16 zwischen beiden verklemmt angeordnet ist. Das Wirkelement 16, welches aus einem Elastomer hergestellt ist, ist das jeweilige Aufnahmeteil 24 umfassend angeordnet und mit Hilfe des entsprechenden Sicherungsteils 25 bei einer Druckbeaufschlagung gegen Lösen vom Aufnahmeteil 24 gesichert. Das Sicherungsteil 25 ist beispielhaft in Form einer so genannten Überwurfmutter ausgeführt, wobei es ebenso in Form eines anderen, eine zuverlässige Sicherung herbeiführenden Sicherungselementes ausgeführt sein könnte. Bevorzugt weist insbesondere das Aufnahmeteil 24 an seiner Außenfläche 26 einen Wulst 27 auf, wodurch eine verbesserte Verklemmung zwischen dem Aufnahmeteil 24 und dem Sicherungsteil 25 herbeigeführt ist. Ebenso könnte der Wulst 27 auch an einer Innenfläche 28 des Sicherungsteils 25 oder sowohl an der Außenfläche 26 als auch an der Innenfläche 28 ausgestaltet sein.
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Das zweite Halteelement 19 ist druckdicht mit dem Ausströmabschnitt 29 der Querschnittsänderungsvorrichtung 12 verbunden, wobei über den Ausströmabschnitt 29 Druckluft in das schlauchartig ausgebildete Wirkelement 16 einströmen und über diesen, bei einer Vergrößerung des Eintrittsquerschnitts 13 ausströmen kann. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist der Ausströmabschnitt 29 koaxial mit der Drehachse 14 ausgebildet und ist mit den Stützelementen 23 durchströmbar verbunden.
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Die Befüllung bzw. Entleerung des Wirkelementes 16 ist abhängig von der Anzahl und vom Durchmesser der durchströmbaren Stützelemente 23. Je größer die Anzahl und/oder je größer der durchströmbare Durchmesser der Stützelemente 23 ist, desto schneller und zügiger erfolgt die Befüllung bzw. Entleerung des Wirkelementes 16. Da allerdings mit Zunahme der Anzahl und/oder des durchströmbaren Durchmessers ein Strömungswiderstand im Eintrittsquerschnittskanal 11 ebenfalls zunimmt, ist es günstig die Anzahl der Stützelemente 23 auf drei zu begrenzen. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen. Der durchströmbare Durchmesser der Stützelemente 23 ist abhängig von der gewünschten Variationsbreite und der Reaktionsgeschwindigkeit des Wirkelementes 16. Dies kann von Abgasturbolader zu Abgasturbolader unterschiedlich sein.
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In einem gem. 3 ausgebildeten dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts 1 ist das Wirkelement 16 haubenformartig ausgebildet und ist zwischen dem zweiten Halteelement 19, welches in diesem Ausführungsbeispiel ringabschnittsförmig ausgebildet ist und dem Stützelement 23 befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein einziges hohl ausgebildetes Stützelement 23 im Eintrittskanal 11 positioniert, welches den Ausströmabschnitt 29 aufnimmt.
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Der Ausströmabschnitt 29 ist koaxial mit der Drehachse 14 ausgebildet und ist ebenfalls der haubenartigen Form des Wirkelementes 16 angepasst ausgeführt. Das Wirkelement 16 ist den Ausströmabschnitt 29 umfassend angeordnet und mit Hilfe des zweiten Halteelementes 19, welches ringscheibenförmig und das Wirkelement 16 umfassend ausgeführt ist, am Ausströmabschnitt 29 gesichert. Das Wirkelement 16 ist zwischen dem Ausströmabschnitt 29 und dem zweiten Halteelement 19 verklemmt.
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Zur Befüllung des Wirkelementes 16 weist der Ausströmabschnitt 29 eine Mehrzahl von durchströmbaren Öffnungen 30 auf, damit die über das durchströmbare Stützelement 23 in den Ausströmabschnitt 29 eintretende Druckluft in das Wirkelement 16 gelangen und dieses ausdehnen kann. Vice versa strömt beim Entleeren des Wirkelementes 16, somit beim Zusammenziehen des Wirkelementes 16, Druckluft aus dem Wirkelement 16 über die Öffnungen 30 in den Ausströmabschnitt 29 und von dort in das durchströmbare Stützelement 23. Aus dem Stützelement 23 strömt es in die Druckluftversorgung, welche zur Versorgung des Wirkelementes 16 mit Druckluft vorgesehen ist.
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Die Druckluftbeaufschlagung des Wirkelementes 16 ist in Abhängigkeit eines gewünschten Ladedruckes des Abgasturboladers 2 und einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Steuer- und Regelelementes der Verbrennungskraftmaschine geregelt.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Wirkelement 16 mit Hilfe von im Luftführungsabschnitt 1 stromab des Verdichterrades 4 komprimierten Fluid beaufschlagt.
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In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Eintrittskanal 11 stromauf des Wirkelementes 16 der Querschnittsänderungsvorrichtung 12 ein Leitelement vorgesehen, welches einer weiteren Variation des Eintrittsquerschnitts 13 dient. Ebenso könnte das Leitelement auch stromab des Wirkelementes 16 im Eintrittskanal 11 aufgenommen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010026176 B4 [0003]
- DE 102012011423 B3 [0004]
