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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. März 2013 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/786,724 mit dem Titel „Integrated Vane Stops for Variable-Geometry Turbocharger Mechanism” (Integrierte Schaufelanschläge für einen Turboladermedanismus mit variabler Geometrie).
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HINTERGRUND
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Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Steuerkomponenten für Turbolader mit VTG (Variable Turbine Geometry – variable Turbinengeometrie). Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung integrierte Schaufel-geöffnet-Anschläge, die die vollständig geöffnete Position des VTG-Mechanismus zur Regulierung des Abgasstroms zur Turbine steuern.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Vorteile von Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, geringeren Kraftstoffverbrauch und reduzierten Schadstoffausstoß. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr hauptsächlich im Hinblick auf ein hohes Leistungsvermögen betrachtet, sondern vielmehr als ein Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung aufgrund von geringerem Kohlendioxid(CO2)-Ausstoß angesehen. Derzeit besteht der Hauptgrund zur Turboaufladung in der Verwendung der Abgasenergie zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen. Bei turboaufgeladenen Motoren wird die Verbrennungsluft vor der Zufuhr zum Motor vorverdichtet. Der Motor saugt das gleiche Volumen an Luft-Kraftstoff-Gemisch wie ein Saugmotor an, aber aufgrund des höheren Drucks, und somit der höheren Dichte, wird einer Brennkammer mehr Luft- und Kraftstoff-Masse zugeführt. Somit kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors bezüglich der Drehzahl und dem Hubraum erhöht wird.
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Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, der normalerweise verschwendet würde, zum Antrieb einer Turbine verwendet. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das auf einer Welle befestigt ist und durch den Abgasstrom drehbar angetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verschwendeten Abgasenergie in den Motor zurück, wodurch ein Beitrag zum Wirkungsgrad des Motors geleistet wird und Kraftstoff gespart wird. Ein Verdichter, der durch die Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet sie und führt sie dann dem Motor zu. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad/Laufrad, das auf derselben Welle befestigt ist, so dass eine Drehung des Turbinenrads eine Drehung des Verdichterrads/Laufrads bewirkt.
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Im Fokus der vorliegenden Offenbarung steht der Aspekt der variablen Turbinengeometrie (VTG) von Turboladern. VTG-Turbolader (1) verwenden verstellbare Leitschaufeln (8), die mit einem unteren Kranz (12) und einem oberen Schaufelkranz (16), darunter verschiedene mögliche Kränze und/oder eine Düsenwand, schwenkbar verbunden sind. Diese Leitschaufeln (8) werden zur Kontrolle von Abgasgegendruck und Turboladerdrehzahl durch Modulieren des Abgasstroms zum Turbinenrad (5) verstellt. Die Leitschaufeln (8) werden durch Schaufelhebel (11), die über dem oberen Schaufelkranz (16) positioniert sein können, geschwenkt. Die Leistung der und der Strom zur Turbine werden durch Änderungen des Strömungswinkels zum Turbinenrad (5) durch Schwenken der Leitschaufeln (8) beeinflusst.
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Ein Ziel von VTG-Turboladern (1) besteht darin, den nutzbaren Durchsatzbereich bei praktischen Anwendungen unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrads auszuweiten. Zur Erreichung dieses Ziels wird die Turbinenleistung durch Ändern des Anströmwinkels und der Anströmgeschwindigkeit des Abgasstroms an einem Turbinenradeinlass reguliert. Bei VTG-Turboladern wird dies durch Verwendung von Leitschaufeln (8) vor dem Turbinenrad (5), die ihren Anstellwinkel mit der Abgasstromgeschwindigkeit ändern, erzielt. Dadurch wird Verzug bei langsamen Drehzahlen reduziert, während zur Verhinderung von Abgasgegendruck bei höheren Drehzahlen geöffnet wird.
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Mit VTG können Turboladerverhältnisse bei Änderungen der Bedingungen geändert werden. Wenn sich die Leitschaufeln (8) in einer geschlossenen Position befinden, führen die hohen Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und ein steiles Enthalpiegefälle zu einer hohen Turbinenleistung und somit zu einem hohen Ladedruck. Wenn sich die Leitschaufeln (8) in einer vollständig geöffneten Position befinden, erreicht die Turbine ihren maximalen Durchsatz und der Strömungsgeschwindigkeitsvektor weist eine große Zentripetalkomponente auf. Der Vorteil dieser Art von Leistungssteuerung gegenüber der Bypasssteuerung besteht darin, dass der gesamte Abgasstrom stets durch die Turbine geleitet wird und in Leistung umgewandelt werden kann. Verstellungen der Leitschaufeln (8) können über verschiedene pneumatische oder elektrische Regler gesteuert werden.
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Ein beispielhafter Abgasturbolader (
1), der in
1–
3 aus dem
US-Patent 7886536 aus dem Stand der Technik gezeigt wird, umfasst ein Turbinengehäuse (
2) und ein Lagergehäuse (
3) mit einer rotierenden Welle (
4). An einem Ende trägt die Welle (
4) das Verdichterrad/Laufrad (
33) und an dem anderen Ende der Welle das Turbinenrad (
5). In dem Turbinengehäuse (
2) an der Seite des Turbinenrads (
5) ist eine Schnecke (
6) ausgebildet, die in der Radialrichtung zu einem Hals (
7) wird. Innerhalb des Halses (
7) sind verstellbare Leitschaufeln (
8) positioniert.
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Die Leitschaufeln (8) werden von einem Schaufellagerring (12) und von einem Druck- und Lagerring (28), der durch einen Abstandshalter (29) in einem bestimmten Abstand zum Schaufellagerring (12) gehalten wird, geschwenkt und sie sind durch einen Aktuator (32), der den Verstellring (9) betätigt, verstellbar. Eine Drehbewegung des Verstellrings (9) bezüglich des Schaufellagerrings (12) wird auf die Leitschaufeln (8) übertragen, die innerhalb eines vordefinierten Bereichs zwischen der geöffneten Position und der geschlossenen Position verstellt werden können.
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In der Regel wird die geschlossene Position der Leitschaufeln (8) dazu verwendet, die Position der Schaufeln (8) bezüglich des Aktuators (32) festzustellen (zu bestimmen). Gegenwärtige Schaufelbestimmungsmethoden beinhalten das „Bestimmen” in Abhängigkeit von der geschlossenen Schaufelposition. Während die geschlossene Position der Leitschaufeln (8) relativ unveränderlich ist, variiert die Aktuatorposition, die sich auf die geschlossene Position der Leitschaufeln (8) bezieht, aufgrund der erheblichen Summierung von Spiel und Komponententoleranzen zwischen den Leitschaufeln (8) und anderen Komponenten, wie z. B. dem Aktuator (32). Aufgrund des festgelegten begrenzten Wegs des Aktuators (32) variiert die geöffnete Schaufelposition in Abhängigkeit von der bestimmten geschlossenen Schaufelposition. Die bestimmte geschlossene Schaufelposition führt dazu, dass die geöffnete Schaufelposition der Leitschaufeln (8) bei Turboladern von einem Turbolader zum anderen variiert.
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In
US-Patent 7886536 wird Folgendes offenbart: „Exhaust-gas Turbocharger, Regulating Device for an Exhaust-gas Turbocharger and Vane Lever for a Regulating Device” (Abgasturbolader, Leitapparat für einen Abgasturbolader sowie Schaufelhebel für einen Leitapparat). Schaufelhebel (
11) mit axialen Ansätzen (
14) weisen kreisbogensegmentförmige Konturabschnitte (
22) auf, die für eine Wälzbewegung mit dem Innenumfang des Verstellrings (
9) sorgen. Dies gestattet, dass ein Schaufelhebel (
11) gegen den Verstellring (
9) wälzt, jedoch bei einer vollständig geöffneten Position nicht gegen den Verstellring (
9) anschlägt.
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In dem
US-Patent 8328520 wird ein VTG-Turbolader mit separat ausgebildeten Schaufelhebelanschlägen offenbart. Der Anschlag (
25) ist als ein im Leitgitter (
18) fixierbares separates Bauteil zum Einstellen des Minimaldurchflusses ausgeführt.
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Bei bestimmten Anwendungen kann die Regulierung der vollständig geöffneten Position ausschlaggebend sein. Bestimmte Turbolader erfordern volle Strömungskapazität der VTG, die eine unzureichende maximale Strömungskapazität aufweisen kann, wenn die Schaufeln nicht vollständig öffnen. Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem sich die vollständig geöffnete Schaufelposition durch einen festgelegten Anschlag feststellen lässt.
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KURZE DARSTELLUNG
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Die Offenbarung stellt ein Mittel zur Steuerung der vollständig geöffneten Position des VTG-Mechanismus durch Bereitstellen eines integrierten festgelegten Anschlags bereit. Ein Schaufel-geöffnet-Anschlag für VTG-Turboladermechanismen kann in Steuerkomponenten, wie z. B. den Schaufelhebel, integriert werden, wobei der Anschlag das Abgas zur Turbine bei maximalem Durchsatz bei der vollständig geöffneten Schaufelposition reguliert. Schaufel-geöffnet-Anschläge für den VTG-Mechanismus: 1) reduzieren die Variation beim Winkel der vollständigen Schaufelöffnung, 2) reduzieren die Variation bei der Schaufelweggesamtspanne und 3) verhindern den Kontakt zwischen den Schaufeln und dem Turbinenrad, wodurch eine Spielsummierung auf ein Minimum reduziert wird und der Durchfluss in den geöffneten Schaufelpositionen reguliert wird. Der integrierte Schaufel-geöffnet-Anschlag für einen VTG-Turbolader kann verschiedene Formen annehmen.
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Die erste Ausführungsform ist eine Modifikation des Schaufelhebels mit einem koplanaren Vorsprung, um zu gestatten, dass benachbarte Schaufelhebel in der vollständig geöffneten Position aneinander und möglicherweise an integrierte Bolzen anschlagen. Dies sollte eine gute Steuerung der geöffneten Position bei minimaler Summierung bereitstellen.
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Eine weitere Ausführungsform stellt integrierte Bolzenstellen mit Merkmalen, die den Weg benachbarter Schaufelhebel begrenzen, bereit. Die Bünde der Schaufelanschläge an jeder Bolzenstelle können benachbarte Schaufelhebel steuern, wie z. B. drei Schaufelhebel, die mit drei benachbarten Bolzen zusammenwirken.
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Eine weitere Ausführungsform ist eine Modifikation des Schaufelhebels mit einem quer verlaufenden Vorsprung, um zu gestatten, dass der Schaufelhebel den oberen Schaufelkranz, umfassend einen Verstellring, berührt. Dies sollte eine gute Steuerung der geöffneten Position bei minimaler Summierung bereitstellen.
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Jede Konstruktion für die Schaufel-geöffnet-Anschläge ist integriert und steuert die vollständig geöffnete Position des VTG-Mechanismus zur Regulierung des maximalen Abgasstroms zur Turbine über die verstellbaren Leitschaufeln. Mit dem „Bestimmen” in Abhängigkeit von der geöffneten Schaufelposition als neuer Strategie wird die Aktuatorbestimmungssoftware dahingehend modifiziert, ein durchgängiges Bestimmen in Abhängigkeit von dem neuen Schaufel-geöffnet-Anschlag sicherzustellen. Des Weiteren kann eine Vorbelastungsgestängekonstruktion verändert werden, so dass geöffnet-Anschlag unter allen Bedingungen erreicht werden kann, jedoch ist ein Verstellen des Gestänges nach oben oder unten (stärker geöffnet oder geschlossen) nicht das Hauptmittel zur Erzielung der vollen Strömungskapazität, wenn integrierte festgelegte Schaufel-geöffnet-Anschläge verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen mit besserem Verständnis der Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht hervor, in denen:
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1 eine axiale Querschnittsansicht eines Abgas-VTG-Turboladers nach dem Stand der Technik ist;
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2 eine perspektivische Ansicht eines in ein Turbinengehäuse eingesetzten Leitapparats nach dem Stand der Technik ist;
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3 eine perspektivische Ansicht des Leitapparats nach dem Stand der Technik ohne einen Käfig von der Lagergehäuseseite ist;
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4 eine Endansicht von Abschnitten eines VTG-Turboladers mit Schaufelhebeln zeigt, die bei der vollständig geöffneten Position gegen benachbarte Schaufelhebel anschlagen;
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5 einen Schaufelhebel mit einer Basiserweiterung und einem Vorsprung an einem Schenkelelement zeigt;
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6 eine Endansicht von Abschnitten eines VTG-Turboladers mit Schaufelhebeln, die bei der vollständig geöffneten Position an einem Schaufelanschlagbolzen anschlagen, zeigt; und
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7 eine Endansicht von Abschnitten eines VTG-Turboladers mit Schaufelhebeln, die durch Berühren des oberen Schaufelkranzes anschlagen, zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Turbolader 1 mit einem VTG-Mechanismus 30, oder ein Turbolader mit variabler Geometrie, ist weithin bekannt, wobei ein Verdichterrad/Laufrad 33 über eine Welle 4 durch ein Turbinenrad 5 in einem Turbinengehäuse 2 drehangetrieben wird und der Leitschaufeln 8, die ihren Anstellwinkel vor dem Turbinenrad 5 ändern, umfasst. Ein VTG-Turbolader 1 kann eine Schaufelkranzanordnung 17 aufweisen, die einen unteren Schaufelkranz 12 (wie z. B. einen Schaufellagerring), einen oberen Schaufelkranz 16 (der einen Verstellring (9) umfassen kann), eine Reihe von Leitschaufeln 8, die zumindest teilweise zwischen dem unteren Schaufelkranz 12 und dem oberen Schaufelkranz 16 schwenkbar befestigt sind, und mehrere Abstandshalter 29, die zwischen dem unteren Schaufelkranz 12 und dem oberen Schaufelkranz 16 positioniert sind, umfasst.
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4 und 5 zeigen eine erste Ausführungsform mit einem Schaufelhebel 11, der ein Anschlagen benachbarter Schaufelhebel 11 aneinander in der vollständig geöffneten Position gestattet. Das Beispiel der Schaufelhebelanordnung gestattet, dass zehn der dreizehn Schaufelhebel 11 an benachbarten Schaufelhebeln 11 anschlagen, wobei jeder Schaufelhebel 11 nicht auf beiden benachbarten Seiten benachbarte Schaufelhebel berühren muss. Der Schaufelhebel 11 weist einen Befestigungsring 34 mit einer Öffnung 36, in der ein Ende der Schaufelwelle(-zapfen) 38 angebracht ist, auf. Die Schaufelwelle 38 ist mit einer Leitschaufel 8 verbunden, die sich zur Regulierung des Abgasstroms bewegt.
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Der Schaufelhebel 11 weist ferner ein Schwenkmittel 40 (in 4 als gestrichelter Kreis gezeigt) auf, auf dem der gesamte Schaufelhebel 11 zur Bewegung der Leitschaufeln 8 aus einer geschlossenen in eine geöffnete Position schwenkt. Wie in 4 und 5 gezeigt, kann jeder Schaufelhebel 11 zwei Armelemente 42 und 44 umfassen, die sich von einem gegenüberliegenden Ende des Schaufelhebels 11 vom Befestigungsring 34 und der Öffnung 36 erstrecken. Ein Verbindersschlitz 46 ist zwischen den Armelementen 42 und 44 ausgebildet und wirkt funktional mit einem Steuermittel 48 zusammen, wie z. B. einem Stift in einer Reihe auf einem Ring, der durch den Aktuator 32 bewegt wird.
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Der Schaufelhebel 11 kann einen Vorsprung 50 und eine Basiserweiterung 52 aufweisen. Der Vorsprung 50 erstreckt sich von einem Armelement 42, und die Basiserweiterung 52 erstreckt sich von der Basis 54 auf einer gegenüberliegenden Seite des Schwenkmittels 40 von dem Vorsprung 50. Der Vorsprung 50 und die Basiserweiterung 52 sind vorzugsweise zur Basis 54 koplanar. Der Vorsprung 50 an dem Armelement 42 eines Schaufelhebels 11 ist dahingehend konstruiert, die Basiserweiterung 52 eines benachbarten Schaufelhebels 11 zu berühren, um einen „Anschlag” bei der vollständig geöffneten Position der Leitschaufeln 8 bereitzustellen. Dies sollte eine gute Steuerung der geöffneten Position bei minimaler Summierung bereitstellen.
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Wie in 4 gezeigt, können der Vorsprung 50 und die Basiserweiterung 52 des Weiteren Bolzen 56 aufweisen, die den Weg bei den vollständig geöffneten Schaufeln beschränken können, wobei der Vorsprung 50 auf dem Armelement 42 eines Schaufelhebels 11 den Bolzen 56 berührt und/oder die Basiserweiterung 52 eines benachbarten Schaufelhebels 11 den Bolzen 56 berührt.
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6 zeigt eine weitere Variation einer Schaufelhebelanordnung von Schaufelhebeln 11 mit Bolzen 56, gegen die die Schaufelhebel 11 in der vollständig geöffneten Schaufelposition anschlagen. Die Bolzen 56 sind zur Beschränkung des Wegs benachbarter Schaufelhebel 11 angeordnet. Die Bünde 58 der Schaufelanschläge an jeder Bolzenstelle können benachbarte Schaufelhebel 11 steuern, wie z. B. das Zusammenwirken von drei Schaufelhebeln 11 mit drei Schaufelanschlagbünden 58. In diesem Beispiel gestattet die Schaufelhebelanordnung das Anschlagen von lediglich drei Schaufelhebeln 11. Die integrierten Bolzen 56, wie z. B. mit den Schaufelanschlagbünden 58, würden lediglich, wie dargestellt, drei der Schaufelhebel 11 steuern.
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Wie dargestellt, umfassen diese Schaufelhebel
11 auch zwei Armelemente
42 und
44, die sich von einem gegenüberliegenden Ende des Schaufelhebels
11 von der Basis
54 mit der Öffnung
36 für die mit der Leitschaufel
8 verbundenen Schaufelwelle
38 erstrecken. Die Armelemente
42 und
44 verbreitern den Schaufelhebel
11 zum Berühren des Bolzens
56 und stellen einen zwischen den Armelementen
42 und
44 ausgebildeten Verbinderschlitz
46 bereit, der funktional mit einem Steuermittel
48 zusammenwirkt. Dieser Ausführungsform zeigt axiale Ansätze
14, ähnlich dem
US-Patent 7886536 , die für die Wälzbewegung mit dem Innenumfang des Rings
9 sorgen, fügt jedoch die Anschlagfunktion bei der geöffneten Schaufelposition hinzu. Die Schaufelhebel
11 können bei unterschiedlichen Anordnungen verschiedene Vorsprünge aufweisen.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer Modifikation eines Schaufelhebels 11, die gestattet, dass die Schaufelhebel 11 den oberen Schaufelkranz 16 in der vollständig geöffneten Position berühren. Die Schaufelhebel 11 können in der vollständig geöffneten Position an dem oberen Schaufelkranz 16 anschlagen. Der Schaufelhebel 11 weist einen Befestigungsring 34 mit einer Öffnung 36, in der ein Ende der Schaufelwelle 38 angebracht ist, zur Aufnahme der verstellbaren Leitschaufel 8 auf. Die Schaufelwelle 38 ist mit einer Leitschaufel 8 verbunden, die sich zur Regulierung des Abgasstroms bewegt.
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Der Schaufelhebel 11 weist ferner ein Schwenkmittel 40 auf, auf dem der Schaufelhebel 11 zur Bewegung der Leitschaufel 8 aus einer geschlossenen in eine geöffnete Position schwenkt. Wie in 7 gezeigt, kann jeder Schaufelhebel 11 zwei Armelemente 42 und 44 umfassen, die sich von einem gegenüberliegenden Ende des Schaufelhebels 11 von der Basis 54 erstrecken. Ein Verbinderschlitz 46 ist zwischen den Armelementen 42 und 44 ausgebildet und wirkt funktional mit einem Steuermittel 48 zusammen.
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Der Schaufelhebel 11 kann einen quer verlaufenden Vorsprung 50 an einem Armelement 42 aufweisen. Der quer verlaufende Vorsprung 50 erstreckt sich von einem Armelement 42 im Wesentlichen senkrecht nach oben. Der quer verlaufende Vorsprung 50 befindet sich vorzugsweise auf derselben Seite des Schwenkmittels 40 wie die Spitze der entsprechenden Leitschaufel B. Der quer verlaufende Vorsprung 50 auf dem Armelement 42 jedes Schaufelhebels 11 ist dahingehend konstruiert, den oberen Schaufelkranz 16 zu berühren, um einen „Anschlag” bei der vollständig geöffneten Position der Leitschaufeln 8 bereitzustellen. Der Schaufelhebel 11 kann nicht weiter schwenken, nachdem der quer verlaufende Vorsprung 50 den oberen Schaufelkranz 16 als einen Anschlag berührt hat. In 7 ist der obere Schaufelkranz 16 zur Orientierung der ansonsten verdeckten Komponenten in Durchsicht gezeigt. Dies sollte eine gute Steuerung der geöffneten Position bei minimaler Summierung bereitstellen.
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Die Schaufelhebel 11 sind bevorzugt mit integralen und integrierten Vorsprüngen 50 modifiziert, die beim Berühren anderer Komponenten als Schaufel-geöffnet-Anschläge wirken, um zur Regulierung des Abgasstroms zum Turbinenrad 5 die vollständig geöffnete Position der Leitschaufeln 8 des VTG-Mechanismus 30 zu steuern. Die als Anschläge wirkenden integrierten Vorsprünge 50 können in existierende Schaufelhebelkonstruktionen zur Steuerung der vollständig geöffneten Position integriert werden. Obgleich bestimmte Schaufelhebel 11 modifiziert würden, erfordern andere Komponenten möglicherweise lediglich minimale Änderungen.
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Mit der neuen Strategie des „Bestimmens” in Abhängigkeit von der geöffneten Schaufelposition im Unterschied zur geschlossenen Schaufelposition wird die Aktuatorbestimmungssoftware dahingehend modifiziert, ein durchgängiges Bestimmen in Abhängigkeit von dem neuen Schaufel-geöffnet-Anschlag sicherzustellen. Die Software kann die Bewegung des Aktuators 32 steuern und somit stellen die Schaufelhebel 11 unter Berücksichtigung des Schaufel-geöffnet-Anschlags einen maximalen Abgasstrom bereit. Mit der Schaufel-geöffnet-Strategie kann des Weiteren die Vorbelastungsgestängekonstruktion verändert werden, so dass geöffnet-Anschlag unter allen Bedingungen erreicht werden kann. Diese Merkmale an Schaufelhebeln 11 als Schaufel-geöffnet-Anschläge sollten eine gute Steuerung der geöffneten Schaufelposition bereitstellen.
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Die Erfindung ist auf veranschaulichende Weise beschrieben worden; und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie beschreibend und nicht als Einschränkung verstanden werden soll. Es sind angesichts der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Deshalb versteht sich, dass die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche auf andere Weise als in der Beschreibung speziell angeführt ausgeübt werden kann.
