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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit veränderlicher
Geometrie und insbesondere eine Turbine einer Art, die geeignet
ist zur Verwendung in einem Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine.
Ganz besonders bietet die Erfindung Vorteile bei Turboladern, die
vorgesehen sind für
Verbrennungskraftmaschinen, die ein Abgasrückführungssystem haben.
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Turbinen
mit veränderlicher
Geometrie sind gut bekannt und umfassen im Allgemeinen eine Turbinenkammer,
in der ein Turbinenlaufrad angebracht ist, einen um die Turbinenkammer
angeordneten ringförmigen
Einlassdurchgang, eine um den Einlassdurchgang angeordnete Einlasskammer
und einen Auslassdurchgang, der sich von der Turbinenkammer aus
erstreckt, wobei die Durchgänge
und Kammern derart verbunden sind, dass ein unter Druck gesetztes
Gas, das der Einlasskammer zugeleitet wird, durch den Einlassdurchgang über die
Turbinenkammer zum Auslassdurchgang strömt. Bei einer verbreiteten
Art einer Turbine mit veränderlicher Geometrie
wird eine Wand des Einlassdurchgangs durch ein bewegliches, im Allgemeinen
als „Düsenring" bezeichnetes, Wandelement
definiert, dessen Position im Verhältnis zu einer gegenüberliegenden Wand
des Einlassdurchgangs eingestellt werden kann, um die Breite des
Einlassdurchgangs zu steuern. Die Einlassdurchgangsbreite und folglich
die Geometrie der Turbine werden so verändert, dass, wenn das Volumen
an Gas, das durch die Turbine strömt, abnimmt, die Einlassdurchgangsbreite
ebenfalls vermindert wird, um die Gasgeschwindigkeit und also den
Turbinenwirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
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Es
ist ebenfalls gut bekannt, dass der Turbinenwirkungsgrad durch das
Bereitstellen von Leitschaufeln, die als Düsenleitschaufeln bezeichnet werden,
im Einlassdurchgang verbessert wird, um so das Gas, das durch den
Einlassdurchgang strömt, zur
Drehrichtung des Turbinenlaufrads hin abzulenken. Düsenleitschaufeln
werden bei Turbinen sowohl mit feststehender als auch mit veränderlicher
Geometrie bereitgestellt. Im letzteren Fall macht das Bereitstellen
von Leitschaufeln die Struktur der veränderlichen Geometrie kompliziert,
insbesondere, um zu sichern, dass sich die Leitschaufeln immer über die
volle Breite des Einlassdurchgangs erstrecken.
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Das
US-Patent 4499732 beschreibt zum Beispiel eine Anordnung mit veränderlicher
Geometrie, bei der die Leitschaufeln in ihrer Position fixiert sind, sich
aber durch Schlitze in einem beweglichen Düsenring erstrecken. Folglich
werden sich die Leitschaufeln immer über die volle Breite erstrecken, wenn
sich der Düsenring
bewegt, um die Breite des Einlasses zu steuern.
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Andere
Strukturen mit veränderlicher
Geometrie werden zum Beispiel in dem US-Patent Nummer 4292807 und
den Britischen Patentbeschreibungen Nummer GB-A-1138941 und GB-A-2044860
beschrieben. Diese Beschreibungen beschreiben verschiedene Anordnungen,
bei denen sich die Düsenleitschaufeln
von einem beweglichen Düsenring
in Schlitze erstrecken, die in der gegenüberliegenden Wand des Einlassdurchgangs
bereitgestellt werden. Diese Anordnung sichert ebenfalls, dass sich
die Leitschaufeln immer über
die volle Breite des Durchgangs erstrecken, selbst wenn der Durchgang
vollständig
offen ist.
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Obwohl
das Bereitstellen von Düsenleitschaufeln
den Turbinenwirkungsgrad optimiert, haben die Leitschaufeln den
Nachteil, die wirksame Fläche
des Turbineneinlasses zu verringern, so dass die maximale Gastdurchflussmenge
durch die Turbine geringer ist, als es möglich wäre, wenn die Leitschaufeln
nicht vorhanden wären.
Das US-Patent Nummer 4973223 beschreibt eine Turbine mit veränderlicher Geometrie,
bei welcher der Düsenring „überweit
geöffnet", d.h., über die
nominelle volle Breite des Einlassdurchgangs hinaus herausgezogen,
werden kann, und dabei werden die Leitschaufeln wenigstens teilweise
aus dem Einlassdurchgang eingezogen. Der Wirkungsgrad der Turbine
fällt ab,
wenn die Leitschaufeln eingezogen werden, aber die Zunahme der maximalen
Durchflussmenge ermöglicht,
dass sich die Turbine einem breiteren Bereich an Motordrehzahlen
anpasst. Obwohl der Turbinenwirkungsgrad beginnt, abzufallen, wenn
die Leitschaufeln aus dem Einlassdurchgang eingezogen werden, kann der
Wirkungsgrad doch höher
sein als der im niedrigen Durchflussbereich der Turbine erreichte.
Im Wesentlichen ermöglicht
daher ein gesteuertes Einziehen der Leitschaufeln die Modifikation
der Wirkungsgrad-Durchfluss-Kennline der Turbine, so dass der mittlere
Turbinenwirkungsgrad für
einen gegebenen Durchflussbereich dadurch gesteigert werden kann, dass
die Notwendigkeit vermieden wird, die Turbine im weniger effizienten
niedrigen Durchflussbereich zu betreiben.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass die gleiche Wirkung auf eine einfachere
Weise, durch Modifizieren des Profils der Düsenleitschaufeln, erreicht
wird. Der Anmelder des Vorliegenden erzeugt eine Turbine mit veränderlicher
Geometrie, wobei sich die Düsenleitschaufeln
von einem beweglichen Düsenring,
der eine Wand des Turbinen-Einlassdurchgangs definiert, in Schlitze,
die in einer gegenüberliegenden feststehenden
Wand des Turbinen-Einlassdurchgangs definiert werden, erstrecken
und wobei der Düsenring über die
volle Breite des Durchgangs hinaus überweit geöffnet werden kann. Die Düsenleitschaufeln
haben an ihrer in Radialrichtung inneren Kante und zu dem vom Düsenring
entfernten Ende hin einen Ausschnitt. Diese ausgeschnittene Leitschaufel
hat eine verringerte Sehne, d.h. ihre wirksame Breite gegenüber dem
Gasstrom von der Einlasskammer zur Turbinenkammer. Wenn sich der
Düsenring
in einer offenen Position mit dem vollständig geöffneten Einlassdurchgang befindet,
erstrecken sich die verringerten Sehnenabschnitte der Leitschaufeln durch
die Schlitze. Wenn der Düsenring
jedoch überweit
geöffnet
ist, ist der verringerte Sehnenbereich von der Einlassdurchgang-Seitenwand
eingezogen, so dass die wirksame Leitschaufel-Gesamtfläche, die sich über den
Einlassdurchgang erstreckt, verringert ist, was das Schluckvermögen der
Turbine steigert. Dadurch, dass gesichert wird, dass der verringerte Sehnenbereich
jeder Leitschaufel verborgen ist, wenn der Einlassdurchgang vollständig offen
ist, wird der Spitzenwirkungsgrad der vollständig offenen Turbine nicht
beeinträchtigt.
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Obwohl
ein guter Turbinenwirkungsgrad eindeutig wünschenswert ist, können herkömmliche
Turbinenauslegungen mit veränderlicher
Geometrie problematisch sein, wenn die Turbine zur Verwendung mit
einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, die ein Abgasrückführungs-(AGR-)-System
hat. Bei einem AGR-System wird ein Teil des aus dem Abgassammler
entnommenen Abgases im Blick auf das Verringern der Motoremissionen
zur weiteren Verbrennung in das Ansaugrohr des Motors zurückgeführt. Bei
modernen hochwirksamen Turbinenauslegungen mit veränderlicher
Geometrie kann der Ladedruck am Ansaugrohr häufig den Abgasdruck am Abgassammler überschreiten,
was das Rückführen von
Abgas zum Ansaugrohr problematisch macht und zum Beispiel spezielle
AGR-Pumpen usw. erfordert.
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Ein
Beispiel eines Turboladers, der die Merkmale des Oberbegriffs von
Anspruch 1 hat, wird in WO 02/06636 offenbart.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den obigen Nachteil
zu beseitigen oder zu vermindern.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Turbine mit veränderlicher
Geometrie bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Turbinenlaufrad,
das Radialschaufeln hat und in einem Gehäuse zum Drehen um eine Achse
getragen wird, einen ringförmigen Einlassdurchgang,
der sich in Radialrichtung nach innen zum Turbinenlaufrad hin erstreckt,
wobei der Einlassdurchgang zwischen einer ringförmigen Wand eines beweglichen
Wandelements und einer Stirnwand des Gehäuses definiert wird, wobei
das bewegliche Wandelement im Verhältnis zum Gehäuse bewegt
werden kann, um die Breite des Einlassdurchgangs zu verändern, eine
ringförmige
Anordnung von Leitschaufeln, die sich über den Einlassdurchgang erstrecken,
wobei die Leitschaufeln vordere und hintere Kanten, eine zwischen
den vorderen und den hinteren Kanten definierte Breite und eine
Höhe, die sich
allgemein parallel zur Achse des Turbinenlaufrades erstreckt, haben,
wobei sich die Höhe über die Breite
der Leitschaufeln von einem Maximum zu einem Minimum verändert, wobei
die minimale Höhe geringer
ist als die Breite der Turbinenschaufelspitzen in Axialrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Höhe der Leitschaufeln größer ist
als die minimale Breite des Einlassdurchgangs.
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Vorzugsweise
wird die minimale Höhe
an der hinteren Kante der Leitschaufeln definiert.
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Vorzugsweise
ist die maximale Höhe
der Leitschaufeln größer als
die maximale Breite des Einlassdurchgangs.
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Vorzugsweise
ist der Unterschied zwischen der minimalen Höhe und der maximalen Höhe nicht geringer
als die Breite der Turbinenschaufelspitzen in Axialrichtung.
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Die
Leitschaufeln können
einen Abschnitt mit maximaler Breite und einen Abschnitt mit verringerter Breite
und zwischen den zwei einen scharfen Übergang in der Leitschaufelhöhe haben.
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Die
maximale Leitschaufelhöhe
wird längs der
vorderen Kante der Leitschaufeln definiert. Zum Beispiel kann die
Leitschaufelhöhe über einen
Teil der Breite der Leitschaufel angrenzend an die vordere Kante
wesentlich gleichbleibend sein und verringert sich danach bis zur
minimalen Höhe
angrenzend an die hintere Kante. Die Leitschaufelhöhe kann ebenfalls über einen
Teil der Breite der Leitschaufel angrenzend an die hintere Kante
wesentlich gleichbleibend sein.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden offensichtlich
aus der folgenden Beschreibung.
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Es
wird nun, nur als Beispiel, eine spezifische Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in
denen:
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1 eine
schematische Illustration eines Teils einer Turbine mit veränderlicher
Geometrie ist,
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2a und 2b die
Bewegung des Düsenrings
der Turbine von 1 illustrieren,
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3 ein
Graph ist, der die Turbinenwirkungsgrad-Gasdurchfluss-Kennlinie
der Turbine von 1 illustriert,
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4a bis 4c eine
Modifikation der Turbine von 1 nach der
vorliegenden Erfindung illustrieren und
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5 ein
Graph ist, der die Wirkung der Modifikation von 4a bis 4c auf
die Turbinenwirkungsgrad-Gasdurchfluss-Kennlinie der Turbine illustriert.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist dies ein schematischer
Radialschnitt durch einen Teil einer bekannten Turbine mit veränderlicher
Geometrie, die ein Turbinengehäuse 1 umfasst,
das eine Spiral- oder Einlasskammer 2 definiert, der Gas
aus einer Verbrennungskraftmaschine (nicht gezeigt) zugeführt wird.
Das Gas strömt
von der Einlasskammer 2 zu einem axialen Auslassdurchgang 3, über einen
ringförmigen Einlassdurchgang 4,
der an der einen Seite durch die Radialfläche eines Düsenrings 5 und an
der anderen durch eine ringförmige
Abdeckplatte 6 definiert wird, welche die Öffnung einer
in der gegenüberliegenden
Wand des Gehäuses 1 definierten
ringförmigen
Aussparung 7 abdeckt. Der Düsenring 5 ist verschiebbar
innerhalb eines ringförmigen
Hohlraums 8 angebracht, der im Turbinengehäuse 1 bereitgestellt
wird, und wird in Bezug auf denselben durch Dichtungsringe 9 abgedichtet.
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Der
Düsenring 5 trägt eine
Anordnung von Düsenleitschaufeln 10,
die sich von der Fläche
des Düsenrings 5 aus über den
Einlassdurchgang 4 erstrecken. Die Höhe der Leitschaufeln (d.h.,
das Ausmaß,
zu dem die Leitschaufeln 10 von der Fläche des Düsenrings 5 vorstehen)
ist derart, dass sich die Leitschaufeln gerade über den Einlassdurchgang 4, durch
geeignet konfigurierte Schlitze in der Abdeckplatte 6 und
in die Aussparung 7, erstrecken. Jede Leitschaufel 10 hat
eine Breite oder Sehnenlänge, definiert
als der Abstand zwischen ihrer vorderen und ihrer hinteren Kante
(d.h., ihrer in Radialrichtung äußeren und
inneren Kanten). Aus 1 wird zu ersehen sein, dass
jede Schaufel an ihrem Ende abgeschnitten ist, um einen Abschnitt 10a zu
definieren, der eine verringerte Höhe und Sehnenlänge hat.
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Bei
Anwendung geht das Gas, das von der Einlasskammer 2 zum
Auslassdurchgang 3 strömt, über ein
Turbinenlaufrad 11, das sich um eine Achse 12 dreht
und dadurch ein Drehmoment auf eine Turboladerwelle 13 ausübt, die
ein Verdichterlaufrad (nicht gezeigt) antreibt. Die Drehzahl des
Turbinenlaufrades 11 hängt
von der Geschwindigkeit des durch den ringförmigen Einlassdurchgang 4 strömenden Gases
ab. Für
eine festgelegte Gasdurchflussmenge ist die Gasgeschwindigkeit eine
Funktion der Breite des Einlassdurchgangs 4, die durch
Steuern der Axialposition des Düsenrings 5 (d.h.,
durch Vor- und Zurückbewegen
desselben, wie durch den Pfeil 14 angezeigt) eingestellt
werden kann. Die Bewegung des Düsenrings 5 kann
durch ein beliebiges geeignetes Stellorgan gesteuert werden. Zum
Beispiel kann der Düsenring 5 an
in Axialrichtung verlaufenden Stiften (nicht gezeigt) angebracht
sein, deren Position durch ein Bügelelement
(nicht gezeigt) gesteuert wird, das mit einem pneumatisch betriebenen Stellorgan
(nicht gezeigt) verknüpft
ist. Da das Stellorgansystem eine Vielzahl von herkömmlichen
Formen annehmen kann, wird kein besonderer Stellorganmechanismus
illustriert.
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In 1 wird
der Düsenring
in einer „geschlossenen" Position gezeigt,
bei der die Breite des Einlassdurchgangs 4 auf ein Minimum
verringert ist. Es wird zu sehen sein, dass in dieser Position die
Enden der Düsenleitschaufeln 10 innerhalb
der Aussparung 7 an das Gehäuse 1 anstoßen, wobei
der Abschnitt 10a der Leitschaufeln 10 mit verringerter
Sehnenlänge
vollständig
innerhalb der Aussparung 7 aufgenommen wird.
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2a und 2b zeigen
den Düsenring 5 in
Positionen mittleren Durchflusses bzw. maximalen Durchflusses. In
der in 2a gezeigten Position mittleren Durchflusses wird
zu sehen sein, dass der Düsenring 5 teilweise
in den Hohlraum 8 gezogen ist, so dass die Fläche des
Düsenrings 5 bündig mit
der Wand des Gehäuses
ist und der Einlassdurchgang 4 sein maximale Breite hat.
Um den Wirkungsgrad aus ein Maximum zu steigern, wird im Allgemeinen
davon ausgegangen, dass die Leitschaufelhöhe gleich der Breite der Turbinenlaufrad-Schaufelspitzen 11a oder größer sein
sollte. Folglich sind die Leitschaufeln 10 so konfiguriert,
dass die minimale Höhe
der Schaufel ausreicht, um sich über
den Einlassdurchgang 4 zu erstrecken, wenn der Einlassdurchgang,
wie in 2a gezeigt, vollständig offen ist. Hier wird nur
der Abschnitt 10a der Schaufel 10 mit verringerter
Sehnenlänge
innerhalb der Aussparung 7 aufgenommen.
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Das
Schluckvermögen
der Turbine kann jedoch durch weiteres Ziehen des Düsenrings 5 in
den Hohlraum 8, so dass der Abschnitt 10a der
Schaufeln mit verringerter Sehnenlänge wenigstens teilweise aus
der Aussparung 7 zurückgezogen
wird, um innerhalb des Einlassdurchgangs 4 zu liegen, gesteigert werden.
Die gesamte Schaufelfläche,
die den Gasdurchfluss durch den Einlassdurchgang 4 behindert, wird
dadurch verringert. Die Position maximalen Durchflusses wird in 2b illustriert.
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Eine
typische Wirkungsgrad-Gasdurchfluss-Kennlinie für eine Turbine, wie beispielsweise
in 1 illustriert, wird in 3 gezeigt.
Diese zeigt, dass der Wirkungsgrad bei niedrigen Durchflussmengen
gut (wenngleich verhältnismäßig niedrig)
ist, wenn sich der Düsenring 5 um
die geschlossene Position befindet, und sich zu einer Spitze um
die Position mittleren Durchflusses steigert. Der Wirkungsgrad fällt danach
ab, wenn der verringerte Sehnenabschnitt der Düsenleitschaufel 10 in
den Einlassdurchgang gebracht wird, wobei ein minimaler Wirkungsgrad
bei der in 2b illustrierten Position maximalen
Durchflusses erreicht wird.
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4a und 4b illustrieren
eine Modifikation des in 1 und 2 illustrierten
Leitschaufelprofils zum Modifizieren der Turbinen-Wirkungsgradcharakteristika
nach der vorliegenden Erfindung. Im Einzelnen ist die Größe des Ausschnitts
am Ende der Leitschaufeln 20 gesteigert, so dass die minimale
Höhe jeder
Leitschaufel längs
ihrer hinteren Kante geringer ist als die Breite der Spitze 11a der
Turbinenleitschaufeln. Die Wirkung davon ist, dass sich der Abschnitt 20a der
Leitschaufeln 20 mit verringerter Sehnenlänge in den
Einlassdurchgang 4 erstreckt, selbst wenn der Einlassdurchgang 4 nicht
vollständig
offen ist.
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Wie
in 4a illustriert, hat bei der illustrierten Ausführungsform
der Erfindung die verringerte Leitschaufelhöhe keine Wirkung, wenn sich
der Düsenring
in der geschlossenen Position befindet, da die minimale Höhe der Leitschaufel
ausreicht, um sich über
das Minimum der Einlassöffnung 4 zu
erstrecken. Wenn der Düsenring 5 jedoch
in den Hohlraum 8 eingezogen wird, wird der Abschnitt 20a jeder Leitschaufel 20 mit
verringerter Sehnenlänge
aus der Aussparung 7 zurückgezogen, bevor der Düsenring 5 die
Position mittleren Durchflusses erreicht. Folglich liegt, wie durch 4b illustriert,
der Bereich 20a der Leitschaufeln 20 mit verringerter
Sehnenlänge bereits
teilweise im Einlassdurchgang 4. Ein weiteres Einziehen
des Düsenrings 5 in
den Hohlraum 8 zieht mehr von dem Abschnitt der Düsenring-Leitschaufeln 20 mit
verringerter Sehnenlänge
aus der Aussparung 7 zurück, bis sich der Abschnitt
der Düsenring-Leitschaufeln 20 mit
verringerter Sehnenlänge
in der in 4c illustrierten Position maximalen
Durchflusses über
die gesamte Breite der Turbinenschaufelspitzen 11a erstreckt.
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Die
Wirkung dieser Modifikation auf die Wirkungsgrad-Durchfluss-Kennlinie
wird in 5 illustriert. Daraus wird zu
ersehen sein, dass der Turbinenwirkungsgrad bei Bedingungen niedrigen
Durchflusses und maximalen Durchflusses nicht bedeutsam beeinflusst
wird, aber der Spitzenwirkungsgrad verringert wird. Es hat sich
gezeigt, dass die Verringerung des Spitzenwirkungsgrads allgemein
proportional zur Steigerung bei dem ausgeschnittenen Abschnitt der
Leitschaufeln ist. Folglich kann die genaue Wirkungsgrad-Durchfluss-Kennlinie
durch entsprechendes Bemessen und Konfigurieren des Ausschnittes
zugeschnitten werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat besondere Vorteile, wenn sie auf Turbinen
von Turboladern angewendet wird, die vorgesehen sind für Verbrennungskraftmaschinen,
die AGR-Systeme haben, da sie ermöglicht, dass die Motor-Ansaug-
und Abgassammlerbedingungen für
eine Abgasrückführung optimiert werden,
wobei die Emissionen verringert werden, während zur gleichen Zeit das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
für eine
bessere Kraftstoffverbrennung auf ein Minimum verringert wird. Dies
wird durch ein Verringern des Turbinenwirkungsgrades erreicht, das
durch eine einfache Düsenringmodifikation
sorgfältig
gesteuert wird, ohne irgendwelche zusätzlichen Teile oder Geometriesteuerungsmechanismen
zu erfordern.
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Es
wird zu erkennen sein, dass die Größe und das Profil des Leitschaufelausschnitts
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Turbinencharakteristik stark variieren können.
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Es
wird ebenfalls zu erkennen sein, dass die Erfindung auf Turbinen
mit veränderlicher
Geometrie anwendbar ist, bei denen die Leitschaufel in ihrer Position
festgelegt ist, mit einem Düsenring,
der über die
Leitschaufeln gleitet. Hier kann der Ausschnitt so angeordnet sein,
dass, wenn sich der Düsenring
zurückzieht,
um den Einlassdurchgang zu öffnen,
er ein zunehmendes Maß des
Abschnitts mit verringerter Sehnenlänge der Leitschaufeln freilegt.
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Andere
mögliche
Modifikationen werden einer Person mit entsprechenden Kenntnissen
leicht offensichtlich sein.