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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit variabler Geometrie, insbesondere in einer Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Aufladevorrichtungen bekannt, die als Abgasturbolader an einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Derartige Vorrichtungen sind typischerweise zur Zuführung von Luft einer Motoransaugung ausgebildet. Dazu ist ein Turbinengehäuse vorgesehen, das an einem Auspuffkrümmer der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ein Kompressorgehäuse ist in einem Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei ein Lagergehäuse mit dem Turbinengehäuse und dem Kompressorgehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle drehbar gelagert, die ein Turbinenrad mit dem Kompressorrad verbindet.
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Um in einem Abgasturboblader eine variable Turbinengeometrie auszubilden, ist eine Schaufelanordnung vorgesehen, die schwenkbare Leitschaufeln im Turbinengehäuse umfasst, um den Durchgang für den Abgasstrom zu variieren. Das Schwenken der Leitschaufeln wird üblicherweise mittels eines Aktuators bewirkt, der eine Verbindung zu jeder Leitschaufeln aufweist und so ausgebildet ist, dass die Winkelausrichtung aller Leitschaufeln gemeinsam gesteuert werden kann.
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Dabei werden die Leitschaufeln typischerweise mittels eines Verstellrings verstellt, wobei während des Betriebs in einem Fahrzeug eine genaue und über die Lebensdauer eines Motors stabile Kalibrierung des kleinstmöglichen Durchsatzes erfolgen muss. Der kleinstmögliche Durchsatz wird dem englischen Sprachgebrauch folgend häufig auch als Min-Flow bezeichnet. Um den kleinstmöglichen Durchsatz zufriedenstellend vorgeben zu können, sind unterschiedliche Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt.
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So ist aus der
WO 2014/081602 A1 einen Abgasturbolader bekannt, bei dem ein Turbinenrad von einem Anströmkanal umgeben ist und eine V TG-Kartusche aufweist, die im Anströmkanal eine Mehrzahl von Schaufeln aufweist, die über drehbare Schaufelwellen gelagert sind, welche mit Schaufelhebeln verbunden sind, die in einen Verstellring eingreifen, der den Schaufellagerring außenseitig umgibt, wobei auf dem Schaufellagerring zwei Min-Flow-Anschläge in Form von Aussparungen gebildet sind. Der Schaufellagerring wird dabei über einen Aktuator von außen verstellt.
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Neben der Anordnung von einem oder mehreren Min-Flow-Anschlägen auf dem Schaufellagerring sind aus dem Stand der Technik auch Ausführungen bekannt, die die Kopplung des Aktuators an die VTG-Kartusche betreffen.
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Aus der
US 8,122,716 B2 ist eine Turbine mit variabler Geometrie bekannt umfassend ein Turbinenrad, eine Anordnung mit variabler Geometrie, die einen drehbaren Steuerring mit einem Schlitz und einer Vielzahl von Schaufeln beinhaltet, wobei jede Schaufel einen durch Drehung des Steuerrings schwenkbar gesteuerten Stift aufweist; eine Kurbelwelle, die einen Stift zur Aufnahme durch den Schlitz des Steuerrings aufweist, wo die Drehung der Kurbelwelle den Steuerring dreht; und ein Mittelgehäuse, das einen drehbaren Anschlag, der an der Kurbelwelle befestigt ist und eine Anschlagfläche aufweist.
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Aus der
US 9,732,623 B2 ist eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einer variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie und einer Stelleinrichtung bekannt, welche die variable Turbinen- oder Verdichtergeometre verstellt. Weiter weist die Stelleinrichtung eine Mindestsollbegrenzung und/oder eine Höchstsollbegrenzung auf, die eine Mindestsolldurchströmung und/oder eine Höchstsolldurchströmung der variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie bestimmt. Wesentlich ist dabei, dass die Mindestsollbegrenzung und/oder Höchstsollbegrenzung der Stelleinrichtung einstellbar und insbesondere nachjustierbar sind/ist. Dadurch ist/sind insbesondere Abweichungen, beispielsweise durch Verschleiß verursacht, der Mindestsollbegrenzung und/oder Höchstsollbegrenzung der Stelleinrichtung von der zugeordneten Mindestsolldurchströmung und/oder Höchstsolldurchströmung der variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie durch Anpassen der Mindestsollbegrenzung und/oder Höchstsollbegrenzung ausg leichbar.
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Die
US 2013/136581 A1 beschreibt eine variable Turbinengeometrie, insbesondere für einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, die in einem Schaufellagerring drehbar gelagerte Leitschaufeln aufweist, wobei zur Verstellung der Leitschaufeln ein Verstellring vorgesehen ist, der über einen Anlenkhebel von einer Stelleinrichtung verstellbar ist. Wesentlich ist dabei, dass am Anlenkhebel ein einstellbarer Exzenter angeordnet ist, der in einer am Schaufellagerring angeordneten Nut geführt ist, und dass durch einen Anschlag des Exzenters an zumindest einem Ende der Nut zumindest ein Minimaldurchfluss durch die variable Turbinengeometrie begrenzt ist.
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Abgasturbolader, die die vorgesehenen Spezifikationen bezüglich des minimalen Abgasdurchsatzes nicht einhalten, werden während der Produktion aussortiert, was zusätzliche Kosten bei der Produktion von Abgasturbolader erfordert.
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Die Erfinder haben sich nun die Aufgabe gestellt, eine Möglichkeit zu schaffen, den minimalen Durchsatz in einem Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie präziser einstellen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Turbinenanordnung für einen Abgasturbolader mit variabler Geometrie, insbesondere in einer Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine, geschaffen, die außerhalb eines Turbinengehäuses einen ersten Teil eines Betätigungselement, das mit einem Stellantrieb gekoppelt ist, und einen zweiten Teil des Betätigungselements aufweist, wobei der zweite Teil des Betätigungselement eine vom Stellantrieb ausgelöste Bewegung des ersten Teils des Betätigungselements zur Verstellung einer Anordnung zur Erzeugung der variablen Geometrie mit einer Vielzahl bezüglich ihres Winkels verstellbaren Schaufeln umsetzt, wobei eine am zweiten Teil des Betätigungselements angeordnete Verstelleinrichtung einen minimalen Durchsatz der verstellbaren Schaufeln vorgibt, indem eine Ruheposition des zweiten Teil des Betätigungselements relativ zu dem Turbinengehäuse einstellbar ist.
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Demnach wird anstelle eines einzelnen oder mehrere min-flow-Anschläge im Inneren einer VTG-Kartusche eine Möglichkeit geschaffen, die Ruheposition relativ zu dem Turbinengehäuse mittels einer Verstelleinrichtung zur Einstellung des minimalen Durchsatzes vorzugeben. Da die Verstelleinrichtung nun nicht mehr im Inneren der Turbinenanordnung vorgesehen wird, ist auch eine nachträgliche Kalibrierung bei bereits fertig montiertem Abgasturbolader ohne weiteres möglich. Des Weiteren ist eine Festlegung des minimalen Durchsatzes mit höherer Präzision möglich, da nun mehr die Position des zweiten Teils des Betätigungselements zur Festlegung der Ruheposition herangezogen werden kann, sodass beim Einstellen des minimaler Durchsatzes die geometrischen Verhältnisse im Inneren der VTG-Kartusche durch diejenigen der Äußern Anordnung ersetzt werden, was weniger präzises mechanisches bearbeiten erfordert.
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Bevorzugt ist der erste Teil des Betätigungselements als Hebel ausgeführt sein kann, der Drehbar bezüglich der Anordnung zur Erzeugung der variablen Geometrie ausgeführt ist, wobei insbesondere der erste Teil des Betätigungselementes und der zweite Teil des Betätigungselements über ein Drehlager gekoppelt sind, sodass eine vom Stellantrieb ausgehende Bewegung in Längsrichtung des ersten Teils des Betätigungselements eine Drehbewegung des zweiten Teils des Betätigungselements bewirkt.
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Aufgrund dieser Vorgehensweise ist es auf einfache weise möglich, die lineare Bewegung eines Stellantriebs in einer Drehbewegung zur Verstellung der verstellbaren Schaufeln umzusetzen, wobei durch die Anordnung an einem Drehlager eine Art Hebel gebildet wird, sodass die externe Einstellbarkeit des minimalen Durchsetztes der verstellbaren Schaufeln nochmals weiter verbessert werden kann.
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Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, die Verstelleinrichtung durch eine, um eine Drehachse drehbare Einstellscheibe zu verändern, wobei die Drehachse so angeordnet ist, dass ein Abstand eines Außenrandes der Einstellscheibe zum zweiten Teil des Betätigungselements variierbar ist. Dabei kann die Drehachse am Turbinengehäuse geführt sein.
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Demnach ist es möglich, die Verstelleinrichtung mittels unterschiedlich geformter Einstellscheiben so in Position zu bringen, dass die gewünschte Ruheposition erreicht wird. In wiederum anderen Ausführungsformen ist es ebenfalls möglich, die Einstellscheiben bezüglich ihres Außenumfangs so auszugestalten, dass der zweite Teil der Betätigungseinrichtung an der gewünschten Position zu liegen kommt.
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Für die Einstellscheibe können unterschiedliche Formen in Frage kommen, wobei neben einem nicht-rotationssymmetrischen Außenrands in Form von eines Exzenters oder einer Ellipse auch eine Kreisscheibe mit einer außerhalb des Mittelpunkts der Einstellscheibe angeordneten Drehachse in Frage kommt.
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Demnach ist es möglich, die Verstelleinrichtung sowohl in diskreten Schritten als auch kontinuierlich verstellbar auszuführen.
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Hierbei ist es insbesondre vorgesehen, nach einem Kalibriervorgang die Ruheposition festzulegen, wobei bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung geschaffen werden soll, die beispielsweise mittels eins Schweißpunktes erzeugt werden kann. Dies verringert das Risiko der externen Einflussnahme auf die Verstelleinrichtung erheblich. Desweiteren ist es aber auch möglich, die Ruheposition formschlüssig, beispielsweise mittels einer Kontermutter oder Konterschraube festzulegen.
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Desweiteren wird eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine angegeben, die in einem Lagegehäuse auf einer Welle ein Turbinenrad aufweist, wobei die Welle mit dem von einem Abgasstrom antreibbaren Turbinenrad einer Turbinenanordnung wie oben beschrieben verbunden ist.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine in einer teilweisen Schnittdarstellung,
- 2 eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung in einer Draufsicht,
- 3 eine perspektivische Seitenansicht der Turbinenanordnung nach 2,
- 4 die erfindungsgemäße Turbinenanordnung in einer weiteren Draufsicht,
- 5 eine perspektivische Seitenansicht der Turbinenanordnung nach 4, und
- 6A-C jeweils Bestandteile der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung in einer Draufsicht.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Folgenden wir anhand der 1 zunächst schematisch eine Aufladevorrichtung 2 beschrieben, in welche eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Turbinenanordnung bevorzugt eingesetzt werden kann. 1 zeigt dabei in einer Schnittansicht die Aufladevorrichtung 2 lediglich grob skizziert, um die Lage der einzelnen Bauteile zueinander darstellen zu können und deren Funktion kurz beschreiben zu können. An sich sind der artige Auflagevorrichtungen zwei aus dem Stand der Technik bekannt.
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1 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Seitenansicht der Erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung 2. Die Aufladevorrichtung 2 weist ein Turbinengehäuse 4 und ein damit über ein Lagergehäuse 6 verbundenes Verdichtergehäuse 8 auf. Das Turbinengehäuse 4, das Verdichtergehäuse 8 und das Lagergehäuse 6 sind entlang einer Z-Achse angeordnet. Das Turbinengehäuse ist teilweise im Schnitt gezeigt. Dabei verbindet eine Welle 10 ein Turbinenrad 12 mit einem Verdichterrad 14. Auf der Turbinenseite der Aufladevorrichtung 2, die nachfolgend als Turbinenanordnung 16 bezeichnet wird, ist mittels eines Schaufellagerrings 18 eine variable Turbinengeometrie ausgebildete, die eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Verstellschaufeln 20 mit entsprechenden Drehachsen aufweist. Hierdurch werden Düsenquerschnitte gebildet, die je nach der Lage der Verstellschaufeln 20 größer oder kleiner sind und das in der Mitte an der Achse Z gelegene Turbinenrad 12 mehr oder weniger mit dem über einen Zuführkanal 22 zugeführten und über einen Zentralstutzen abgeführten Abgas eines Motors beaufschlagen, um über die das Turbinenrad 12 das Verdichterrad 14 anzutreiben. Um die Bewegung beziehungsweise die Lage der Verstellschaufeln 20 zu steuern, ist ein Stellantrieb beziehungsweise ein Aktuator vorgesehen, der beispielsweise als Elektrosteller oder pneumatische Steuerdose ausgebildet sein kann. Die Stelleinrichtung kann eine hinter dem Schaufellagerring 18 gelegenen Vorrichtung in eine leichte Drehbewegung versetzen. Hierzu wird beispielsweise ein Verstellring 24 verwendet, der von außerhalb des Turbinegehäuses 4 mittels des Stellantriebes betätigt wird.
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Es versteht sich von selbst, dass im allgemeinen Aufladevorrichtungen 2, wie sie in 1 schematisch dargestellt sind, noch weitere Bauteile umfassen werden, um in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden zu können. Eine derartige Aufladevorrichtung 2 wird auch als VTG-Lader bezeichnet. Dabei werden die Verstellschaufeln 20 und der Verstellring 24 zusammen mit weiteren Komponenten üblicherweise in einem Bauteil zusammengefasst, das als VTG-Kartusche oder Anordnung 26 zur Erzeugung der variablen Geometrie einer bezeichnet werden kann.
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Im Folgenden wird nun die Ankopplung des Stellantriebs an den Verstellring 24 näher beschrieben, um eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Turbinenanordnung 16 zu beschreiben, die in der Aufladevorrichtung 2 eingesetzt werden kann.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hier ist eine Draufsicht auf das Turbinengehäuse 4 dargestellt, wobei die Blickrichtung hier entlang der Richtung Z vom Verdichtergehäuse 8 her gewählt ist. Man erkennt, dass durch das Lagergehäuse 6 ein Verstellpin 28 führt, der die oben beschriebene Verdrehung des Verstellrings 24 im Inneren der Anordnung zur Erzeugung der variablen Geometrie 26 ein Verstellen der Verstellschaufeln 20 bewirkt. Der Verstellpin 28 wird von einem Stellantrieb 30 betätigt, der in 2 lediglich ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt ist. Der Stellantrieb 30 ist mit einem ersten Teil einer Betätigungselements 32 verbunden, das durch eine Bewegung des Stellantriebs 30 entlang seiner Längsrichtung verschoben werden kann, wie in 2 anhand der Bewegungsrichtung 34 angedeutet ist. Der erste Teil des Betätigungselements 32 mündet an seinem dem Stellantrieb 30 abgewandten Ende in ein Drehlager 36, das mit einem zweiten Teil des Betätigungselements 38 drehbar verbunden ist. An seinem anderen Ende ist der zweite Teil des Betätigungselements 38 drehfest mit dem Verstellpin 28 verbunden. Somit wird eine vom Stellantrieb 30 ausgehende Bewegung entlang der Richtung 34 in eine Drehbewegung umgesetzt, die die Verstellung der Verstellschaufeln 20 bewirkt. Der zweite Teil des Betätigungselements 38 ist dabei in Form eines Hebels ausgeführt, wobei der Hebelarm zwischen Verstellpin 28 und Drehlager 36 definiert ist.
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In 2 werden dabei die Verstellschaufeln 20 so betätigt, dass bei vollständig nach unten ausgefahren ersten Teil des Betätigungselements 32 ein minimaler Durchsatz durch die Verstellschaufeln 20 gegeben sein soll. Um nun die Ruheposition des zweiten Teils des Betätigungselements 38 festlegen zu können, ist eine Verstelleinrichtung 40 vorgesehen, die die Ruheposition des zweiten Teils des Betätigungselements 38 relativ zum Turbinengehäuse 4 vorgibt. Somit ist es nicht möglich, den zweiten Teil des Betätigungselements 38 über die Anschlagsposition mit dem Verstelleinrichtung 40 nach unten zu bewegen, wodurch der minimale Durchsatz durch die Verstellschaufeln 20 anhand eines externen Min-Flow-Stopps erreicht werden kann.
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Die Verstelleinrichtung 40 kann auf unterschiedliche Weisen ausgebildet sein. So ist es denkbar, die Verstelleinrichtung 40 so zu gestalten, dass lediglich diskrete Positionen im Bezug auf die Position des zweiten Teils des Betätigungselements 39 eingenommen werden können, wodurch zwischen zwei unterschiedlichen Ruhepositionen gewechselt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Verstelleinrichtung 40 wie in 2 gezeigt ist, mittels einer Einstellscheibe 42 gebildet wird, die beispielsweise in Form einer Ellipse ausgestaltet sein kann.
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In 3 ist die in 2 gezeigte Anordnung nochmal in einer perspektivischen Seitenansicht gezeigt. Man erkennt, dass sowohl der erste Teil des Betätigungselements 32 als auch der zweite Teil des Betätigungselements 38 zusammen mit dem Drehlager 36 außerhalb des Turbinengehäuses 4 geführt sind, wobei die Verstelleinrichtung 40 mit der Einstellscheibe 42 mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden ist.
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In Bezug auf die 4 und 5 ist die soeben beschriebene Anordnung in einer zweiten Position gezeigt. In der Position, die in 4 gezeigt ist, wird der in Form einer Ellipse ausgebildete Außenumfang der Einstellscheibe 42 an einem durch die längere Halbachse führenden Punkt anliegen, sodass der zweite Teil des Betätigungselements 38 weiter in Richtung Stellantrieb 30 zu liegen kommt. Im Vergleich dazu wäre eine um 90° gedrehte Anordnung der Einstellscheibe 42, bei der der zweite Teil des Betätigungselements 38 an der kürzeren Halbachse der als Ellipse geformten Einstellscheibe 42 anliegt, weiter nach unten verschoben.
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Aufgrund dieser Vorgehensweise ist es daher möglich, die Turbinenanordnung 16 mit zwei Ruhepositionen bezüglich ihres minimalen Durchsatzes durch die verstellbaren Schaufeln 20 zu betreiben. Neben einer derartigen diskreten Einstellbarkeit kann es aber auch vorgesehen sein, die Verstelleinrichtung 40 kontinuierlich verstellbar auszugestalten, was beispielsweise durch die Verwendung einer Einstellscheibe 42 erreicht werden kann, die um eine Drehachse drehbar ist.
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Beispiele für derartige Ausführungsformen unterschiedlich geformter Einstellscheiben 42 ist unter Bezugnahme auf die 6A bis 6C nochmals verdeutlicht.
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In 6A ist die Einstellscheibe 42 nochmals einzeln gezeigt, die den Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 5 zugrunde liegt. Lediglich schematisch ist auch hier eine Drehachse 44 eingezeichnet.
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In 6B ist eine Einstellscheibe 42 gezeigt, bei der die Drehachse 44 außerhalb des Mittelpunkts der Einstellscheibe 42 angeordnet ist, wobei der Außenrand der Einstellscheibe hier kreisförmig ausgestaltet ist.
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In 6C ist eine Einstellscheibe 42 gezeigt, bei der ein nichtrotationssymmetrischer Außenrand in Form eines Exzenters gebildet ist.
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Bevorzugt ist es jedoch, die Verstelleinrichtung nach einem Kalibriervorgang der Aufladevorrichtung 2 bezüglich ihrer Ruheposition so festzulegen, dass diese nicht zerstörungsfrei überwunden werden kann. Dabei ist es insbesondere möglich, die Einstellscheibe 42 stoffschlüssig mit dem Turbinengehäuse 4 zu verbinden. Hier bietet sich beispielsweise die Festlegung der Verstelleinrichtung 40 mittels eines Schweißvorgangs an.
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Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Ruheposition formschlüssig festzulegen, wobei beispielsweise die Verstelleinrichtung mittels einer Kontermutter oder entsprechend geformten Schrauben in einer gewählten Position gesichert werden kann.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Aufladevorrichtung
- 4
- Turbinengehäuse
- 6
- Lagergehäuse
- 8
- Verdichtergehäuse
- 10
- Welle
- 12
- Turbinenrad
- 14
- Verdichterrad
- 16
- Turbinenanordnung
- 18
- Schaufellagerring
- 20
- Verstellschaufeln
- 22
- Zuführkanal
- 24
- Verstellring
- 26
- Anordnung
- 28
- Verstellpin
- 30
- Stellantrieb
- 32
- erster Teil eines Betätigungselement
- 34
- Bewegungsrichtung
- 36
- Drehlager
- 38
- zweiter Teil eines Betätigungselements
- 40
- Verstelleinrichtung
- 42
- Einstellscheibe
- 44
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/081602 A1 [0005]
- US 8122716 B2 [0007]
- US 9732623 B2 [0008]
- US 2013136581 A1 [0009]
