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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckwellenladeranordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 10.
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Verbrennungskraftmaschinen nutzen zur Erhöhung ihrer Leistungsausbeute Bauteile, die geeignet sind, angesaugte Frischluft zu verdichten und anschließend dem Verbrennungsvorgang zuzuführen. Diese als Aufladesystem bezeichneten Maschinen nutzen verschiedene physikalische Effekte, um den zuvor genannten Vorgang durchzuführen.
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Eine Möglichkeit, die Verbrennungskraftmaschine durch Verdichten der angesaugten Frischluft aufzuladen, besteht in der Nutzung eines Druckwellenladers. Der Wirkungsgrad dieser Druckwellenlader wird durch die mechanischen Bauteile und durch die Möglichkeit der adaptiven Anpassung auf den jeweiligen Betriebszustand des Motors in Form einer Regelung und Steuerung bestimmt.
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Der Druckwellenlader ist aus feststehenden und rotierenden Bauteilen aufgebaut. Die feststehenden Bauteile sind: der Gehäusemantel, das Rotorgehäuse, das in Heißgas- und Kaltgasgehäuse aufgeteilt ist, sowie die Zu- und Ableitungen zur Führung der gasförmigen Fluide. Die rotierenden Bauteile werden durch den Zellrotor selbst und gegebenenfalls durch einen Elektromotor zum Antrieb des Zellrotors gebildet.
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Aus der
DE 10 2006 020 522 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Frischluft durch einen Druckwellenlader komprimiert wird, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Druckwellenladers abhängig von mindestens einer Ist-Betriebsgröße der Brennkraftmaschine gesteuert oder geregelt wird.
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Durch die Anpassung des Betriebes des Druckwellenladers an den Ist-Betriebszustand der Brennkraftmaschine werden Pumpverluste der Brennkraftmaschine minimiert. Auch kann auf diese Weise das Ansprechverhalten des Druckwellenladers verbessert werden und es können die Bedingungen für eine Abgasnachbehandlung optimiert werden. Ein zu steuernder oder zu regelnder Betriebsparameter des Druckwellenladers ist beispielsweise der Gehäuseversatz.
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Für den Serieneinsatz eines Druckwellenladers, beispielsweise an einer Verbrennungskraftmaschine im Kraftfahrzeugbereich, gelten hohe Anforderungen an die Einsatzbedingungen sowie die Lebensdauererwartung. Hier ist es beispielsweise vorstellbar, dass der Druckwellenlader bei –20°C und bei +50°C Außentemperatur und über einen Lebenszyklus von mehreren Jahren hinweg einwandfrei funktionieren muss. Auch die Abgastemperaturen von 900°C und höher wirken sich negativ auf die Langlebigkeit und die einwandfreie Funktion des Druckwellenladers aus.
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Das Betriebsverhalten von aktuell bekannten Druckwellenladern, gerade im Zusammenhang mit Abgasanlagensystemen, zeigt eine starke Abhängigkeit gegenüber dem Druckverhältnis zwischen dem Ansaugkanal für Frischluft und dem Auslasskanal des Abgases. Ursächlich hierfür ist, dass für die Ideale Druckwellenprozessführung eine möglichst ideal einhundert prozentige Spülung des Zellrotors nicht ausreichend stattfindet. Die Zellrotorfüllung wird somit im Betrieb des Druckwellenladers nie ideal ausgeführt. Der sich einstellende Druckverlust ist durch das Ansaug- und das Abgassystem des Motors bestimmt. Kommt der Druckwellenlader in einen Betriebsbereich mit maximalem Massenstrom, ist eine weitere Durchsatzerhöhung durch einen steigenden Druckverlust der Abgasanlage beschränkt.
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Der erreichbare Wirkungsgrad eines Druckwellenladers hängt damit direkt zusammen mit den erreichbaren, minimalen Spaltmaßen zwischen den gasfüllenden Bauteilen sowie der zu leistenden Antriebsarbeit durch einen Elektromotor, welcher den Zellrotor in seiner Drehzahl dem Ladedruck und dem Massenstrombedarf des Verbrennungsmotors anpasst. Es steht eine hohe zu leistende Beschleunigungsenergie des den Zellrotor antreibenden E-Motors einem guten Nutzwirkungsgrad eines Druckwellenladers, insbesondere bei instationären Betrieben entgegen.
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Die Druckwellenlader sind als Strömungsmaschine für bestimmte Massenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten optimal ausgelegt. Werden die Werte, in denen der Druckwellenlader mit hohem Wirkungsgrad arbeitet überschritten, so kann der mit dem Zellrotor gekoppelte Elektromotor als Generator genutzt werden. Dies ist jedoch maßgeblich bei hohen Drehzahlen der Fall, in denen das Wirkmoment des Elektromotors nur in beschränktem Umfang zur Verfügung steht, so dass nicht die eigentlich im Abgas enthaltene Restenergie optimal ausgenutzt werden kann.
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Aus der
AT 408 785 B ist eine Aufladeeinrichtung für die Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Kolbenmotor, bekannt, mit einer Zuluftleitung für die Ladeluft und einer Abgasleitung für die Verbrennungsgase strömungsverbundenen mehrzyklischen Druckwellenmaschine. Die Aufladeeinrichtung weist einen in einer Lageranordnung in einem Gehäuse drehbar gelagerten Zellrotor auf, wobei der Zellrotor in radialer Richtung mehrere Fluten besitzt. Der Zellrotor ist mit einem Drehantrieb verbunden und an eine Regeleinrichtung angeschlossen. Je nach Volumendurchsatz von Frischluft und Abgas durch den Zellrotor sind die Fluten optional zu bzw. abschaltbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ausgehend vom Stand der Technik bekannte Druckwellenladeranordnungen dahingehend zu verbessern, dass sie über ein breites Betriebsspektrum einen optimalen Wirkungsgrad erhalten. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Druckwellenladeranordnung bereitzustellen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer Druckwellenladeranordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der verfahrenstechnische Anteil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges umfasst einen Druckwellenlader mit einem Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, einem Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft, einem Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und einen Kanal 4 zum Abführen von Abgas. Der eigentliche Druckwellenlader besteht aus einem Heißgasgehäuse, in dem Abgas aus dem Kanal 3 einströmt und Abgas in den Kanal 4 ausströmt sowie ein Kaltgasgehäuse, in das Frischluft aus Kanal 1 einströmt und komprimierte Frischluft aus Kanal 2 ausströmt sowie ein dazwischen angeordnetes Zellrotorgehäuse, in dem sich der Zellrotor befindet.
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Erfindungsgemäß ist in dem Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft und/oder dem Kanal 3 zum Zuführen von Abgas ein Leitelement derart angeordnet, dass es eine Gasströmung lenkt, wobei die Gasströmung den Zellrotor beschleunigt und/oder abbremst. Hierbei ist der Kanal 1 und/oder der Kanal 3 im Rahmen der Erfindung nicht materiell als einzelne Rohrleitung anzusehen, sondern ebenfalls Bestandteil des Kanals 1 und/oder des Kanals 3 ist auch der entsprechende Abschnitt, beispielsweise in dem Heißgasgehäuse oder dem Kaltgasgehäuse bzw. zwischen den Rohrleitungen und dem Heißgasgehäuse gekoppelte Zwischenelemente.
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Mit Hilfe des Leitelementes ist es möglich, die einströmende Frischluft bzw. das einströmende Abgas gasdynamisch so zu lenken, dass eine Unterstützung des den Zellrotor antreibenden Elektromotors vorgenommen wird. Beispielsweise im niedertourigen Drehzahlbereich kann die Gasströmung derart durch die Leitelemente gelenkt sein, dass eine einfache Beschleunigung des Zellrotors unter Zuhilfenahme der Leitelemente vorgenommen wird und somit ein potentieller elektrischer Antriebsmotor nur eine geringe Beschleunigungsarbeit leisten muss. Ebenfalls bei hohen Drehzahlbetrieben und niedrigen Lastbetrieben kann das Leitelement so ausgebildet sein, dass es eine Bremswirkung auf den Zellrotor ausübt und somit im Falle eines angekoppelten E-Motors an den Druckwellenlader diesen in einem optimalen Wirkungsgradfeld arbeiten lässt.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Leitelement in dem Kanal 1 in einem Eintrittsbereich der angesaugten Frischluft in den Zellrotor angeordnet. Hierbei kann das Leitelement erfindungsgemäß in der Rohrleitung des Kanals 1 angeordnet sein, es kann allerdings auch in dem Eintrittsbereich, also in den den Kanal 1 bildenden Durchgang des Kaltgasgehäuses angeordnet sein. Insbesondere vorteilig bei der Anordnung in dem Eintrittsbereich ist, dass eine gezielte Gasströmungslenkung sich direkt auf die Anströmung der angesaugten Frischluft auf die Zellen des Zellrotors auswirkt. Insbesondere ist dieses vorteilig für elf Beschleunigungsverhalten des Zellrotors.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Leitelement in dem Kanal 3 in einem Eintrittsbereich des Abgases in dem Zellrotor angeordnet. Hierbei ergeben sich die analogen Vorteile des Kanals 1. Zusätzlich kommt dem Leitelement in dem Kanal 3 eine hochtemperaturresistente Eigenschaft zu. Die Abgase besitzen hier teilweise Temperaturen von bis zu mehreren 100°C, sodass das Leitelement eine entsprechende Temperaturresistenz aufweisen muss.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist das Leitelement verstellbar gelagert. Die Verstellung ist maßgeblich durch eine Schwenkbarkeit des Leitelementes selber um eine Schwenkachse ausgeführt. Das Leitelement selbst kann beispielsweise aber auch Verschiebbar oder in sonstiger Art verstellbar ausgeführt sein. Durch die Verstellung werden die Leitelemente einem breiten Einsatzspektrum unterzogen. Sie können somit für den gesamten Betriebsbereich des Druckwellenladers optimal unterstützend wirken.
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Für den Beschleunigungsvorgang des Zellrotors kann das Leitelement derart verstellt werden, dass ein Anstellwinkel ausgewählt wird, der die Gaskräfte bei der Beschleunigung des Zellrotors unterstützend zur Wirkung kommen lässt. Für den stationären und/oder mittleren Betriebsbereich des Druckwellenladers kann das Leitelement derart eingestellt werden, dass keine Strömungsverluste auftreten. Gasdynamisch wirkt es sich quasi als nicht vorhanden aus.
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Für einen potentiellen Bremsvorgang des Zellrotors kann das Leitelement wiederum derart verstellt werden, dass die Gaskräfte durch gezielte Strömungslenkung bremsend auf den Zellrotor treffen. Die Verstellung kann dabei insbesondere durch eine passive Verstellung erfolgen, sodass durch thermodynamische Eigenschaften und/oder die Strömungsgeschwindigkeiten des Gases eine jeweils eigene Regelung der Leitelemente erfolgt.
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Weiterhin bevorzugt kann das Leitelement aktiv durch ein Stellelement verstellbar sein. Vorzugsweise wird diese Verstellung durch einen elektrischen Stellaktuator ausgeführt. Hierbei kann über ein Aktuator mit einer zugehörigen Regelungs- und/oder Steuerungseinheit gezielt einen gewünschten Anströmwinkel der angesaugten Frischluft oder des von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgases auf den Zellrotor eingestellt werden. Je nach Betriebsverhalten kann somit aktiv eingegriffen werden und jeweils eine optimale Ansteuerung des Druckwellenladers erfolgen. In der Folge stellt sich ein besseres Ansprechverhalten des Druckwellenladers und somit der Verbrennungskraftmaschine ein und ein breiteres hohes Wirkungsgradspektrum an dem Druckwellenlader selber, was sich wiederum auf das Wirkungsgradspektrum der daran angekoppelten Verbrennungskraftmaschine auswirkt.
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Besonders bevorzugt weist das Leitelement mindestens eine Leitschaufel auf. Die Leitschaufel ist dabei in der einfachsten Ausführungsvariante ein Leitblech, besonders bevorzugt ist es jedoch eine komplex geformte strömungsoptimierte Geometrie. Diese kann beispielsweise den Strömungsverhältnissen angepasst eine Krümmung aufweisen bzw. selbst noch einmal Abrisskanten zur Erzeugung von turbulenten Strömungen bei bestimmten thermodynamischen Eigenschaften oder aber Strömungsgeschwindigkeiten des Gases aufweisen. Insbesondere sind die Leitschaufeln im Kanal 3 hoch temperaturresistent, sodass sie sich nicht thermisch durch die Einwirkungen des Abgases verformen. Weiterhin besonders bevorzugt können zwei, drei oder mehr Leitschaufeln ein Leitelement bilden.
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Im Falle von zwei Leitschaufeln können diese besonders bevorzugt unabhängig voneinander verstellbar sein. Hierdurch kann gleichzeitig ein beschleunigungsoptimierender Betrieb und ein bremsoptimierender Betrieb eingestellt werden, was in bestimmten Betriebspunkten des Druckwellenladers vorteilig ist. Auch können im Rahmen der Erfindung das Leitelement von Kanal 1 synchron mit dem Leitelement von Kanal 3 angesteuert werden oder aber das Leitelement von Kanal 1 unabhängig von dem Leitelement von Kanal 2 angesteuert werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist der Druckwellenlader auf der Kaltgasseite einen Kantenschieber auf, wobei das Leitelement in dem Kantenschieber selbst angeordnet ist. Der Kantenschieber dient dabei der Einstellung einer Öffnungsquerschnittsfläche der Kanäle 1 und/oder 2. Hierdurch kann eine jeweilige Zellfüllung gezielt beeinflusst werden. Zusätzlich zur Einstellmöglichkeit des Kantenschiebers kommt hierbei die Einstellmöglichkeit des Leitelementes in Kanal 1, welches bevorzugt in den Kantenschieber selbst integriert ist. Weiterhin kann das Leitelement selber durch den Kantenschieber verstellbar sein. Insbesondere ist das Leitelement synchron mit dem Kantenschieber verstellbar. Abstimmungsproblematiken aufgrund von verschiedenartigen Regelungs- und Steuerungsmechanismen ergeben sich somit nicht. Weiterhin werden die Fehleranfälligkeit und auch die Produktionskosten gesenkt, da nur ein Stellglied zur Einstellung von Kantenschieber und Leitelement gleichzeitig verwendet wird. Ebenfalls kann an dieses Stellglied auch das Leitelement in Kanal 3 angeschlossen sein.
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Die verfahrenstechnische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben einer Druckwellenladeranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ausführungen gelöst, wobei das Verfahren vorsieht, das Leitelement in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Druckwellenlader zu regeln und zu steuern. Hierunter ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein aktiv verstellbares Leitelement zu verstehen, wobei der Betriebszustand des Druckwellenladers analysiert wird und entsprechend das Leitelement in Kanal 1 und/oder Kanal 3 geregelt und/oder gesteuert wird, so dass eine gelenkte Gasströmung den Zellrotor bedarfsweise beschleunigt und/oder abbremst.
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Die Ermittlung des Betriebszustandes des Druckwellenladers erfolgt dabei erfindungsgemäß anhand der an der Verbrennungskraftmaschine gemessenen Betriebsparameter, die über eine Kennfeldumrechnung auf den Betriebszustand des Druckwellenladers schließen lassen.
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Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung die Regelung und/oder Steuerung über den Sollbetriebszustand des Druckwellenladers erfolgen. Dies bedeutet, die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine sowie die Parameter des Fahrers eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise durch die Fahrpedalstellung, geben einen Hinweis auf die zu erbringende Leistung des Druckwellenladers. Zur Erfüllung dieser Leistung wird der Druckwellenlader somit voreingestellt, was sich wiederum vorteilig auf die zu erreichende Beschleunigungsdynamik der an die Druckwellenlader gekoppelten Verbrennungskraftmaschine auswirkt.
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Hierzu wird vorzugsweise das Leitelement bei einer Lastzunahme und/oder Drehzahlzunahme der Verbrennungskraftmaschine in eine Beschleunigungsstellung verstellt. Hierbei wird die in der angesaugten Frischluft oder aber in dem Abgas enthaltene Energie zur Beschleunigung des Zellrotors genutzt. Gerade im Rahmen der Reduzierung des CO2-Austoßes wird im Falle eines an den Druckwellenlader angeschlossenen E-Motors zusätzlich die in der Gasströmung enthaltene Energie in elektrische Energie umgewandelt, sodass zur Speisung des Bordnetzes und/oder zum Laden der Fahrzeugbatterie eine Entlastung des primären Generators vorgenommen wird. Hierdurch erhöht sich der effektive Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine, da die Reibung über den primären Generator des Kraftfahrzeuges minimiert wird.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leitelement bei einer Drehzahlabnahme und/oder Lastabnahme der Verbrennungskraftmaschine in eine Bremsstellung verstellt. Die zu den vorangegangenen Ausführungen jeweils diverse Anordnung ergibt sich. Hierbei wird über eine Bremsstellung der Zellrotor gebremst, sodass ein an den Zellrotor angeschlossener E-Motor in einem optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten kann und nicht in einen Überlastbereich fällt.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt, die dem einfachen Verständnis der Erfindung dienen. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung und
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2 eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung mit Kantenschieber
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung D, wobei der Druckwellenlader einen Kanal 1 [1], einen Kanal 2 [2], einen Kanal 3 [3] und einen Kanal 4 [4] aufweist. Durch den Kanal 1 [1] strömt Frischluft 5 in die Zellen 6 des Zellrotors 7 ein. In den Zellen 6 selber wird die Frischluft 5 komprimiert und strömt als komprimierte Frischluft 8 durch den Kanal 2 [2] zu einer hier nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Während des Ladungswechselvorganges in der Verbrennungskraftmaschine wird durch den Verbrennungstakt produziertes Abgas 9 in den Kanal 3 [3] entlassen und strömt über den Kanal 3 [3] respektive einen Kanal 3' [10] in die Zellen 6 des Zellrotors 7 ein und komprimiert die durch den Kanal 1 [1] zugeführte Frischluft 5. Der Kanal 3' [10] weist dazu noch ein Ventil 11 auf, sodass er bei Bedarf als Kanal 3-Strich 10 zugeschaltet werden kann. Insbesondere wird der Kanal 3' 10 zum direkten Überführen von Frischluft 5 aus Kanal 2 [2] genutzt. Kanal 3' 10 kann aber auch andere Funktionen aufweisen, so kann er beispielsweise ebenfalls an den Auslass an einer hier nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sein.
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Weiterhin ist der Kanal 4 [4] dargestellt, aus dem das Abgas 9 nach Verdichtung der Frischluft 5 und Ausströmen der Frischluft 5 in den Kanal 2 [2] über den Kanal 4 [4] ausströmt und einem hier nicht näher dargestellten Abgasabführsystem zugeführt wird. Erfindungsgemäß sind im Kanal 1 [1] und im Kanal 3 [3] jeweils ein Leitelement 12 angeordnet. Das Leitelement 12 besteht aus hier dargestellt jeweils die Leitschaufeln 13, die je nach Anwendungsfall über einen Aktuator 14 derart eingestellt werden können, dass sich der Einstellwinkel α im Kanal 1 [1] oder aber der Einstellwinkel β im Kanal 3 [3] eingestellt werden kann.
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2 zeigt eine analoge Druckwellenladeranordnung D aus 1 gezeigt, wobei zusätzlich ein Kantenschieber 15 auf der Kaltgasgehäuseseite dargestellt ist. Das Leitelement 12 ist dabei selber in dem Kantenschieber 15 angeordnet und kann beispielsweise je nach Anwendungsfall über die Steuerung des Kanteschiebers 15 mit in dem Einstellwinkel α eingestellt werden.
