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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
der Druckschrift
DE
43 10 148 A1 wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine beschrieben, die
mit zwei parallel angeordneten Abgasturboladern ausgestattet ist.
Im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine sind in zwei parallelen Ladeluftleitungen
jeweils ein Verdichter angeordnet, wobei einer der beiden Verdichter
mittels eines regelbaren Sperrventils in Abhängigkeit des Betriebszustandes
der Brennkraftmaschine in Kraft bzw. außer Kraft gesetzt werden kann.
Entsprechendes gilt für
die Abgasseite der Brennkraftmaschine, die zwei separate Abgasleitungen
mit jeweils einer Abgasturbine aufweist, wobei eine der beiden Abgasturbinen über das
Sperrventil zuzuschalten bzw. abzuschalten ist. Die Stellung des Sperrventiles
wird in Abhängigkeit
der Motordrehzahl geregelt. Bei niedrigen Drehzahlen befindet sich
das Sperrventil in seiner Schließstellung, in der einer der Abgasturbolader
außer
Betrieb gesetzt ist, so dass nur einer von zwei Abgasturboladern
an der Ladeluftversorgung teilnimmt; zur besseren Ausnutzung der bei
niedrigen Drehzahlen verwertbaren Abgasenergie handelt es sich bei
dem aktiven Lader um einen kleinen Lader mit geringer Trägheit, der
in der Lage ist, auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine
einen signifikanten Ladedruck aufzubauen.
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Mit
steigender Drehzahl wird das Sperrventil geöffnet und es wird der zweite
Abgasturbolader zugeschaltet, wodurch erheblich höhere Ladedrücke zu realisieren
sind.
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Diese
Anordnung weist den Vorteil auf, dass einerseits der kleine Abgasturbolader
an die Erfordernisse für
kleine Drehzahlen der Brennkraftmaschine angepasst werden kann und
andererseits durch das Abschalten in diesem Drehzahlbereich des größeren Abgasturboladers
ein Verdichterpumpen vermieden werden kann. Bei höheren Drehzahlen kann
schließlich
die höhere
Leistung des größeren Abgasturboladers
ausgenutzt werden. Zur Umsetzung dieser Vorteile müssen aber
zwei Abgasturbolader in die Brennkraftmaschine eingebaut werden.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem
zugrunde, mit einfachen Maßnahmen
einen Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Der
Abgasturbolader soll insbesondere ein weites Betriebskennfeld aufweisen.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Im
Verdichter des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
ist ein zusätzliches,
zweites Verdichterrad vorgesehen, das koaxial zum ersten Verdichterrad
gelagert und insbesondere drehfest mit dem ersten Verdichterrad
verbunden und dem über
einen separaten Verdichtereinlasskanal Verbrennungsluft zuführbar ist.
Die den beiden Verdichterrädern
zuzuführende
Luftmenge ist über
ein Stellorgan in Abhängigkeit
der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine einstellbar.
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Diese
Ausführung
weist gegenüber
dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf. Im Gegensatz
zu Bi-Turbo-Ausführungen
mit zwei Abgasturboladern reicht erfindungsgemäß ein einziger Abgasturbolader
aus, wodurch sich eine konstruktive Vereinfachung im Bereich des
Ansaugtraktes und des Abgasstranges ergibt, da keine zusätzlichen
Leitungen vorgesehen sein müssen.
Dennoch kann mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ein Verdichter
mit einem großen
Betriebskennfeld realisiert werden, da die beiden Verdichterräder konstruktiv
an unterschiedliche Last- und Drehzahlbedingungen der Brennkraftmaschine
angepasst werden können.
So ist es insbesondere möglich,
eines der Verdichterräder
auf einen niedrigen Massendurchsatz mit hohem Druckverhältnis auszulegen,
so dass die Punktgrenze des Verdichterkennfeldes dieses Verdichterrades zu
Gunsten kleinerer Massendurchsätze
verschoben ist. Das Verdichterkennfeld des zweiten Verdichterrades
kann dagegen auf höhere
Massedurchsätze
mit hohen Druckverhältnissen
ausgelegt werden.
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Durch
die Kombination der beiden Verdichterräder ergeben sich auch Vorteile
im Hinblick auf die Stopfgrenze des Verdichterkennfeldes des Gesamtverdichters,
da insgesamt ein höherer
Luftmassendurchsatz durch den Verdichter erreicht werden kann und
hierdurch die Stopfgrenze angehoben wird.
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Da
das Gesamt-Verdichterkennfeld durch die Kombination zweier zusammenwirkender
Verdichterräder
zu Gunsten einer niedrigeren Pumpgrenze und einer höheren Stopfgrenze
erweitert werden kann, kann andererseits auf aufwendige und kostspielige
Maßnahmen
zur Verbesserung des Verdichterverhaltens verzichtet werden. Beispielsweise kann
eine konventionelle Verdichter radbeschaufelung mit radial gerichteten
Verdichterradschaufeln eingesetzt werden, die geringeren Belastungen
ausgesetzt sind als rückwärts gekrümmte Verdichterradschaufeln,
welche einem zusätzlichen
Biegemoment unterliegen. Aufgrund der geringeren Belastungen können auch
konventionelle Werkstoffe verwendet werden; ein Einsatz sehr hochwertiger
und teurer Werkstoffe für
das Verdichterrad ist nicht zwingend erforderlich.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass die Verdichterkennfelder der beiden Verdichterräder in der
Weise kombiniert werden können,
dass sich ein stetiger Übergangsbereich
zwischen den Kennfeldern einstellt. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass ein Verdichterrad permanent über den
gesamten Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zugeschaltet
ist, wohingegen das zweite Verdichterrad in einem Teillast- bzw.
Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zugeschaltet wird, insbesondere
bei hohen Lasten bzw. Drehzahlen. Mit Zuschaltung des zweiten Verdichterrades
addiert sich der durch dieses Verdichterrad geführte Luftmassenstrom mit demjenigen
durch das erste Verdichterrad zu einem Gesamtmassenstrom. Die beiden
Verdichterräder
können
auf ihren jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert werden, indem das
permanent eingesetzte Verdichterrad für eine niedere Pumpgrenze bei
kleinen Luftmassendurchsätzen
und das zuschaltbare Verdichterrad für höhere Luftmassendurchsätze ausgelegt
wird. Die beiden Verdichterräder
können
beispielsweise eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, insbesondere
einen unterschiedlich großen
Eintrittsradius und/oder einen unterschiedlich großen Austrittsradius
besitzen, wobei zweckmäßig das
permanent zugeschaltete Verdichterrad insgesamt kleiner dimensioniert
ist und dadurch ein geringes Trägheitsmoment
besitzt, wodurch ein schnelleres Ansprechverhalten gewährleistet
ist.
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Auch
das zuzuschaltende Verdichterrad kann auf seinen Einsatzweck hin
optimiert werden, beispielsweise durch eine entsprechende Dimensionierung
oder auch über
einen zusätzlich
vorzusehenden Zusatzkanal, der in Höhe des Verdichterrades in den
Verdichtereinlasskanal einmündet
und über
den zusätzliche
Verbrennungsluft diesem Verdichterrad zuführbar ist. Darüber hinaus
kann es vorteilhaft sein, diesem Verdichterrad eine variable Verdichtergeometrie
zur veränderlichen
Einstellung des wirksamen Verdichterrad-Eintrittsquerschnittes zuzuordnen,
wodurch dem zuzuführenden
Luftmassenstrom ein Drall aufgeprägt werden kann, unter dem der
Luftmassenstrom auf das Verdichterrad auftrifft. Über die
veränderliche
Einstellung des Leitgitters lässt
sich auch die Höhe
des zuzuführenden
Luftmassenstromes beeinflussen.
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Alternativ
zu der Kombination zuschaltbarer/permanenter Verdichter kann es
auch vorteilhaft sein, beide Verdichter bzw. beide Verdichterräder in Funktionsstellung
zu halten und die durch das jeweilige Verdichterrad zu führenden
Luftmassenströme über ein
oder mehrere Sperr- bzw. Drosselorgane im Verdichtereinlasskanal
bzw. in den Verdichtereinlasskanälen
zu regulieren. Jeder Verdichter bzw. jedes Verdichterrad kann für einen
definierten Betriebsbereich optimiert werden.
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Mindestens
in einem Verdichtereinlasskanal ist ein Stellorgan angeordnet, über das
die Luftverteilung auf die Verdichterräder zu regeln ist. In einer
vorteilhaften Ausführung
kann jedem Verdichtereinlasskanal jeweils ein Stellorgan zugeordnet
werden, wodurch die Möglichkeit
gegeben ist, in Abhängigkeit des
Betriebszustandes der Brennkraftmaschine jeweils ein Verdichterrad
oder beide Verdichterräder
in Funktionsstellung zu versetzen; auf diese Weise können die
den jeweiligen Verdichterrädern
zugeordneten Verdichterkennfelder in beliebiger Weise miteinander
kombiniert werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
wobei der Abgasturbolader einen Verdichter mit zwei Verdichterrädern aufweist,
denen über
jeweils einen Verdichtereinlasskanal Verbrennungsluft zuzuführen ist
und die auf der Ausgangsseite des Verdichters eine gemeinsame Verdichteraustrittsleitung
im Gehäuse
aufweisen, wobei einem Verdichterrad ein Stellorgan zur Einstellung
der zuzuführenden
Verbrennungsluft zugeordnet ist,
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2 eine 1 entsprechende
Ausführung,
jedoch mit zwei separaten Verdichteraustrittsleitungen für die beiden
Verdichterräder,
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3 eine
weitere Ausführung,
gemäß der in
jedem der beiden Verdichtereinlasskanäle jeweils ein Stellorgan zur
Regulierung der jedem Verdichterrad zuzuführenden Verbrennungsluft vorgesehen
ist,
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4 einen
Schnitt durch einen Verdichter mit zwei Verdichtereinlasskanälen, zwei
Verdichterrädern
und einer gemeinsamen Austrittsspirale für beide Verdichterräder,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Abgasturboladers, dessen Verdichter
einen ersten Verdichtereinlasskanal für das erste Verdichterrad, einen
zweiten Verdichtereinlasskanal für
das zweite Verdichterrad und einen Zusatzkanal für das zweite Verdichterrad
aufweist.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 – eine Dieselbrennkraftmaschine
oder ein Ottomotor – ist
ein Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im
Abgasstrang 4 und einer Verdichtereinheit 5 im
Ansaugtrakt 6 zugeordnet, wobei die Abgasturbine 3 und
die Verdichtereinheit 5 über eine Welle 7 gekoppelt
sind. Der Brennkraftmaschine wird über eine Leitung des Ansaugtraktes 6 Verbrennungsluft
zugeführt,
die zunächst
in einem Luftfilter 8 gereinigt wird. Im weiteren Verlauf
wird der Luftmassenstrom in einem Luftmassenmesser 9 ermittelt, wobei
der Wert des Luftmassenstromes einer der Brennkraftmaschine 1 zugeordneten
Regel- und Steuereinheit 15 als
Informationssignal zugeführt wird.
Nach der Messung im Luftmassenmesser 9 wird die Verbrennungsluft
der Verdichtereinheit 5 zugeführt und dort auf einen erhöhten Druck
verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft einem nachgeschalteten
Ladeluftkühler 10 zur
Temperaturabsenkung zugeführt
wird. Im Anschluss an den Ladeluftkühler 10 wird die Verbrennungsluft
unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeleitet.
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Die
Abgase der Brennkraftmaschine 1 werden über den Abgasstrang 4 der
Abgasturbine 3 zugeführt
und treiben das Turbinenrad 3 an, dessen Drehbewegung über die
Welle 7 auf den Verdichter übertragen wird. Der Abgasturbine 3 ist
eine Abblaseeinrichtung zugeordnet, bestehend aus einer die Abgasturbine 3 überbrückenden
Abblaseleitung 11 und einem in der Abblaseleitung angeordneten,
einstellbaren Abblaseventil 12. Stromab der Abgasturbine 3 befindet
sich eine Abgasreinigungseinrichtung 13 im Abgasstrang 4,
in der das Abgas gereinigt wird, insbesondere auf katalytischem
Wege bzw. unter Verwendung eines Filters.
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Die
Verdichtereinheit 5 umfasst zwei Einzelverdichter 16 und 17 mit
jeweils einem Verdichterrad 16a bzw. 17a, die
beide drehfest mit der Welle 7 gekoppelt sind und koaxial
zu dieser angeordnet sind bzw. beide aneinander gekoppelt sind.
Dem ersten Verdichterrad 16a wird über einen Verdichtereinlasskanal 18,
welcher vom Ansaugtrakt 6 abzweigt, Verbrennungsluft zugeführt, wobei
in dem Verdichtereinlasskanal 18 ein einstellbares Sperrorgan 25 zur
Regulierung des dem Verdichterrad 16a zuzuführenden Luftmassenstromes
angeordnet ist. Dem zweiten Verdichterrad 17a ist in entsprechender
Weise ein eigener Verdichtereinlasskanal 19 zugeordnet,
welcher ebenfalls vom Ansaugtrakt 6 abzweigt und in welchem
ein zusätzliches
einstellbares Sperrorgan 20 zur Regulierung des diesem
Verdichterrad 17a zuzuführenden
Luftmassenstromes angeordnet ist. Die Luftmassenströme zu den
beiden Verdichterräder 16a, 17a können über die
Einstellung der Sperrorgane 20 und 25 für jedes
Verdichterrad separat reguliert werden, wodurch es möglich ist,
jedem Verdichterrad in verschiedenen Betriebsbereichen einen unterschiedlich
hohen Anteil am gesamten, den Verdichter passierenden Luftmassenstrom
zuzuführen.
Die beiden Verdichter 16 und 17 können für unterschiedliche Betriebsbereiche
der Brennkraftmaschine optimiert sein, insbesondere durch eine unterschiedliche
Auslegung der beiden Verdichterräder 16a und 17a.
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Dem
zweiten Verdichterrad 17a im Verdichter 17 ist
ein Zusatzkanal 21 zugeordnet, welcher im Ausführungsbeispiel stromauf
des Sperrorganes 20 entweder vom Verdichtereinlasskanal 19 abzweigt oder
direkt mit dem Ansaugtrakt verbunden ist und der etwa in Höhe des Verdichterrades 17a in
den Verdichtereinlasskanal 19 radial einmündet. Im
Mündungsbereich
ist eine variabel einstellbare Verdichtergeometrie 22 angeordnet,
welche beispielsweise als verstellbares Leitgitter ausgeführt ist,
bei deren Verstellung der wirksame Verdichterrad-Eintrittsquerschnitt
beeinflussbar ist. Durch die Verstellung der variablen Verdichtergeometrie
kann zudem auch der Drall beeinflusst werden, unter dem die Verbrennungsluft über den
Zusatzkanal 21 auf das Verdichterrad 17a auftrifft.
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Gegebenenfalls
ist im Mündungsbereich
zwischen Zusatzkanal und Verdichtereinlasskanal ein feststehendes
Leitgitter ohne Verstellmöglichkeit
angeordnet.
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Nach
dem Passieren der Verdichterräder 16a und 17a strömt die verdichtete
Verbrennungsluft zunächst
in getrennte Diffusoren 16b und 17b und mündet anschließend in
einen gemeinsamen Sammelraum 16c im Gehäuse. Über eine gemeinsame Verdichteraustrittsleitung 23 im
Gehäuse,
die von dem gemeinsamen Sammelraum 16c abzweigt, ist die
komprimierte Ladeluft aus der Verdichtereinheit 5 abzuleiten
und dem nachgeschalteten Ladeluftkühler 10 zuzuführen.
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Zwischen
dem Abgasstrang 4 und dem Ansaugtrakt 6 ist eine
Abgasrückführungseinrichtung 14 vorgesehen,
welche eine Rückführleitung
umfasst, die stromauf der Abgasturbine 3 vom Abgasstrang 4 abzweigt
und stromab des Ladeluftkühlers 10 in
den Ansaugtrakt 6 einmündet.
In der Rückführleitung
sind ein einstellbares Rückführventil
sowie ein Abgaskühler
angeordnet.
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Sämtliche
verstellbaren Aggregate, die der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet
sind, werden über Stellsignale
der Regel- und Steuereinheit 15 eingestellt. Bei den verstellbaren
Aggregaten handelt es sich insbesondere um das Abblaseventil 12,
das Rückführventil
in der Abgasrückführeinrichtung 14, die
Sperrorgan 20 und 25 in den Verdichtereinlasskanälen 19 und 18 sowie
die variable Verdichtergeometrie 22. Auch die die Verbrennung
bestimmenden Größen wie
einzuspritzende Kraftstoffmenge, Einspritzzeiten sowie Zündzeitpunkte
können über die Regel-
und Steuereinheit 15 vorgegeben und eingestellt werden.
Zusätzliche
Informationen bezieht die Regel- und Steuereinheit von dem Luftmassenmesser 9 sowie
der Abgasreinigungseinrichtung 13.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 unterscheidet
sich vom vorangegangenen Ausführungsbeispiel
dadurch, dass jedem Verdichterrad 16a und 17a jeweils
ein Verdichtergehäuse
mit jeweils einem Diffusor 16b, 17b, einem dem
Diffusor nachgeschalteten Sammelraum 16c, 17c und
eine Verdichteraustrittsleitung 23 bzw. 24 zugeordnet
ist. Die beiden Verdichteraustrittsleitungen 23, 24 münden in
einem gemeinsamen Mündungsbereich
in den Ansaugtrakt 6. Im Übrigen entspricht die Verdichtereinheit 5 aus 2 derjenigen
aus 1.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in jedem
Verdichtereinlasskanal 18 und 19 der beiden Verdichterräder 16a bzw. 17a jeweils
ein Sperrorgan 20 bzw. 25 angeordnet. Dies ermöglicht eine
unabhängige
Einstellung der Luftmassenzufuhr zu jedem Verdichterrad 16a bzw. 17a.
Auf diese Weise sind beide Verdichterräder zu- und abschaltbar ausgeführt und
können
ihrer Auslegung entsprechend in verschiedenen Betriebsbereichen
der Brennkraftmaschine zu- bzw. abgeschaltet werden. Möglich ist
auch eine Einstellung jedes Sperrorgans 20 bzw. 25 mit
reduzierter Zufuhr von Verbrennungsluft zu dem jeweiligen Verdichterrad,
wodurch sich stetige Übergänge im Verdichter-Gesamtbetriebskennfeld
realisieren lassen.
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Wie
der Schnittdarstellung gemäß 4 zu entnehmen,
sind in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse 27 der Verdichtereinheit 5 die
beiden Verdichterräder 16a und 17a aufgenommen,
die Rücken an
Rücken
angeordnet und einteilig mit einem gemeinsamen Radkörper ausgeführt sind,
sich jedoch hinsichtlich ihres Eintrittsdurchmessers und ihres Austrittsdurchmessers
unterscheiden. Den Verdichterrädern 16a und 17a wird
separat über
die Verdichtereinlasskanäle 18 und 19 Verbrennungsluft
vom Ansaugtrakt 6 zugeführt.
Dem Verdichterrad 17a ist außerdem ein Zusatzkanal 21 zugeordnet,
der ebenfalls vom Ansaugtrakt 6 Verbrennungsluft bezieht. Der
Zusatzkanal 21 umgreift den Verdichtereinlasskanal 19 im
Bereich des Eintrittsquerschnittes zum Verdichterrad 17a radial,
wobei im Mündungsquerschnitt
ein Leitgitter 22 angeordnet ist, welches der Strömung einen
Drall aufprägt.
Das Leitgitter 22 kann fest oder gegebenenfalls auch veränderlich
einstellbar ausgebildet sein; im letzteren Fall bildet das Leitgitter
eine variable Verdichtergeometrie. Das Leitgitter 22 erstreckt
sich axial über
die Verdichterradeintrittskante des Verdichterrades 17a.
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Der
Verdichtereinlasskanal 19 ist als ringförmiger Sammelkanal ausgeführt, in
welchem ein in Pfeilrichtung 26 axial verschiebbares Sperrorgan
angeordnet ist, das zwischen der in 4 gezeigten, den
Querschnitt des Verdichtereinlasskanals vollständig sperrenden Schließposition
und einer Öffnungsposition
zu verstellen ist, in welcher Verbrennungsluft aus dem ringförmigen Abschnitt
des Verdichtereinlasskanals in den dem Verdichterrad 17a unmittelbar
vorgelagerten, axialen Abschnitt zuzuleiten ist.
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Die
Verdichterradaustrittskanten beider Verdichterräder 16a und 17a münden jeweils
in einen Diffusor 16b bzw. 17b, die in einen gemeinsamen, beiden
Verdichterrädern
zugeordneten Sammelraum 16c mit einer Verdichteraustrittsleitung übergehen, aus
der die komprimierte Verbrennungsluft in den Ansaugtrakt abgeleitet
und anschließend
dem Ladeluftkühler
zugeführt
wird.
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Es
kann zweckmäßig sein,
eine Strömungsverbindung
zwischen dem ringförmigen
Abschnitt des Verdichtereinlasskanales 19 und dem Zusatzkanal 21 vorzusehen, über die
dem Zusatzkanal Verbrennungsluft zugeführt werden kann.
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Wie
der perspektivischen Ansicht gemäß 5 zu
entnehmen, weist der Verdichter 5 im Abgasturbolader 2 insgesamt
drei Einlasskanäle 18, 19 und 21 auf, über die
dem Verdichter Verbrennungsluft aus dem Ansaugtrakt zuführbar ist.
Die komprimierte Verbrennungsluft wird über eine gemeinsame Verdichteraustrittsleitung 23 aus
dem Verdichter abgeleitet.