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Die Erfindung betrifft einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 11.
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Luftführungsabschnitte für Abgasturbolader, die einen veränderbaren Eintrittsquerschnitt stromauf eines Verdichterrades des Luftführungsabschnitts aufweisen, sind bekannt. Diese veränderbaren Eintrittsquerschnitte dienen einer so genannten kennfeldstabilisierenden Maßnahme. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Verschiebung einer Pumpgrenze des Wirkkomplexes Luftführungsabschnitt und Verdichterrad herbeigeführt wird.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2010 026 176 B4 geht ein Luftführungsabschnitt hervor, welcher in seinem Einströmkanal stromauf des Verdichterrades ein bewegbares Element aufweist, welches eine ihm zugewandt ausgebildete Stirnfläche des Verdichterrades überdeckbar ausgebildet ist, wobei die Überdeckung ausgehend von einer Kanalwandung des Einströmkanals Richtung einer Kanalmitte des Einströmkanals erfolgt.
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Eine vergleichbare Vorgehensweise zur Verringerung des Kanalquerschnitts kann der Patentschrift
DE 10 2012 011 423 B3 entnommen werden. Hier ist ein elastisches Element offenbart, dass ausgehend von der Kanalwandung sich durch Zufuhr von Druckluft in Richtung der Kanalmitte ausdehnt um so den Eintrittsquerschnitt zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Abgasturbolader anzugeben, welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden durch einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader ist durchströmbar ausgebildet und weist eine Radkammer zur drehbaren Aufnahme eines Verdichterrades mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln auf. Des Weiteren umfasst der Luftführungsabschnitt einen Spiralkanal, welcher stromab der Radkammer im Luftführungsabschnitt ausgebildet ist, wobei zwischen der Radkammer und dem Spiralkanal ein Diffusorkanal im Luftführungsabschnitt ausgeführt ist. Stromauf der Radkammer ist ein Eintrittskanal im Luftführungsabschnitt zum Einströmen von zu verdichtendem Fluid ausgebildet, in dem eine Querschnittsänderungseinheit zur Veränderung eines Eintrittsquerschnitts des Eintrittskanals angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Querschnittsänderungseinheit zur Änderung des Eintrittsquerschnitts ein Wirkelement auf, welches bei im Wesentlichen gleichbleibender Umfangslänge seines Querschnittsprofils eine Veränderung des Eintrittsquerschnitts herbeiführend ausgebildet ist, wobei ein erster Profilabschnitt seine Position relativ zum Eintrittskanal veränderbar ausgebildet ist und ein zweiter Profilabschnitt unbewegbar im Luftführungsabschnitt aufgenommen ist. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass aufgrund der nahezu, insbesondere konstanten Umfangslänge des Querschnittsprofils des Wirkelementes exakt die Ausdehnung des Wirkelementes als auch exakt der im Luftführungsabschnitt vorzusehende Aufnahmeraum des Wirkelementes zur Realisierung eines freien Eintrittsquerschnitts bestimmbar sind.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts ist das Wirkelement zumindest teilweise elastisch ausgebildet, wobei zumindest der erste Profilabschnitt und der zweite Profilabschnitt über einen weiteren Profilabschnitt, welcher insbesondere elastisch ausgebildet ist, miteinander verbunden sind. Das heißt mit anderen Worten, dass zur Realisierung der nahezu, insbesondere konstanten Umfangslänge des Querschnittsprofils die Bewegbarkeit des ersten Profilabschnitts nicht zwingend durch dessen Elastizität herbeigeführt werden muss. Es ist hinreichend den weiteren Profilabschnitt bspw. in Form eines Gelenkes oder Scharnieres oder elastisch auszubilden, damit der erste Profilabschnitt seine Positionsänderung zur Herbeiführung der unterschiedlichen Eintrittsquerschnitte durchführbar ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist das Wirkelement aus einem entsprechend dickwandigen Elastomer ausgebildet zur, unter anderem, Realisierbarkeit einer hohen Dauerfestigkeit des Wirkelementes. Dies ist vonnöten, da das Wirkelement einer hohen Wechselbelastung durch die ständige Positionsänderung des ersten Profilabschnittes ausgesetzt ist, damit ein gewünschter Ladedruck erreichbar ist.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts ist die Veränderung des Eintrittsquerschnitts stufenlos herbeiführbar. Der stufenlos variable Eintrittsquerschnitt ermöglicht es in unendlich vielen Zwischengrößen den Eintrittsquerschnitt ausgehend von einer maximalen Größe in eine minimale Größe zu verändern und vice versa.
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Vorteilhaft ist die Querschnittsänderungseinheit druckbeaufschlagbar ausgebildet. Die Druckbeaufschlagung kann pneumatisch oder hydraulisch ausgebildet sein. Der Vorteil der Druckbeaufschlagung ist darin zu sehen, dass die Positionsänderung des ersten Profilabschnitts erst ab einem zu bestimmenden Druck erfolgen kann und somit eine gesicherte Positionierung möglich ist. Das heißt mit anderen Worten, dass eine unbeabsichtigte Depositionierung des ersten Profilabschnittes somit verhindert werden kann. Besonders vorteilhaft ist eine Druckluftbeaufschlagung zu sehen, die bspw. mit Hilfe der stromab des Verdichterrades vorliegenden Luft erfolgen kann. So könnte bspw. eine durchströmbare Verbindung der Querschnittsänderungseinheit mit dem Spiralkanal ausgebildet sein, so dass die im Spiralkanal vorliegende verdichtete Luft der Querschnittsänderungseinheit zuführbar ist. Das bedeutet, dass bspw. ein nur geringer Bauraumbedarf nötig ist und eine aufwändige Verstellkinematik oder -mechanik nicht notwendig ist.
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Sofern das Wirkelement mit Hilfe einer regelbaren Druckzufuhr beaufschlagbar ist, kann eine exakte Anpassung an einen Durchsatz bzw. Schluckvermögen des Verdichters erfolgen, wodurch ein Wirkungsgrad des Verdichters steigerbar ist. Dies kann bspw. mit Hilfe eines Regelventils realisiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts sind der erste Profilabschnitt und der zweite Profilabschnitt bei vollständig geöffnetem Eintrittsquerschnitt relativ zu einer Kanalwand des Eintrittskanals höchstens bündig mit der Kanalwand angeordnet, oder ein zwischen dem ersten Profilabschnitt und dem zweiten Profilabschnitt ausgebildeter weiterer Profilabschnitt ist bündig mit der Kanalwand positioniert, wobei die anderen beiden Profilabschnitte gegenüber der Kanalwand bzgl. des Eintrittskanals zurückgesetzt positioniert sind. Somit ist ein maximal größter Kanaldurchmesser, welcher dem durch die Kanalwand gebildeten Durchmesser des Einrittskanals entspricht, sichergestellt. Dies ist insbesondere in Volllastbetrieben einer mit dem Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine zur Herbeiführung derer maximal möglichen Leistung, bzw. deren maximal möglichen Drehmomentes von Nöten.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Wirkelement ein dem Eintrittsquerschnitt zugewandt ausgebildetes Frontelement auf. Der Vorteil ist in einer weiteren Eintrittsquerschnittsreduzierung zu sehen. Der erste Profilabschnitt ist sich in den Eintrittskanal zwar erstreckend ausgeführt, derart, dass er den Eintrittsquerschnitt reduzieren kann, sofern er jedoch zusätzlich das Frontelement aufweist, kann der Eintrittsquerschnitt zusätzlich um eine radiale Erstreckung des Frontelementes verringert werden. Somit kann auch in einem axial geringen Bauraum eine hinreichend große Querschnittsreduzierung erzielt werden.
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Eine plastische Ausgestaltung des Frontelementes realisiert eine gesicherte Querschnittsreduzierung, da das Frontelement nicht verformbar ist, bspw. durch den im Eintrittskanal anliegenden Druck der einströmenden Luft.
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Sofern das Frontelement ringformartig ausgebildet ist, ist eine Querschnittsreduzierung über den vollständigen Durchmesser des Eintrittskanals sichergestellt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Wirkelement in einer ringförmig im Luftführungsabschnitt ausgebildeten Kammer aufgenommen. Die Kammer ist bevorzugt nutartig ausgebildet. Der Vorteil ist eine exakte Lage des Wirkelementes in dem Luftführungsabschnitt herbeizuführen. Somit kann auch ein vollständig geöffneter Eintrittsquerschnitt sichergestellt werden, da die Kammer in ihrer radialen Erstreckung einer zur vollständigen Aufnahme des Wirkelementes notwendigen Größe ausgestaltet werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts sind die Profilabschnitte einen Hohlraum umfassend ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass das Wirkelement schlauchartig ausgebildet ist und die Änderung der Position des ersten Profilabschnittes durch die Druckbeaufschlagung des Hohlraumes erfolgen kann. Somit wird der erste Profilabschnitt direkt, mit anderen Worten unmittelbar druckbeaufschlagt, was eine Sicherstellung seiner Positionsänderung ergibt. Bei einer Vergrößerung des Eintrittsquerschnitts kann durch Anlegen eines Unterdruckes der erste Profilabschnitt in Richtung des Luftführungsabschnittes bzw. in Richtung des zweiten Profilabschnittes gezogen werden, so dass auch eine schnelle Querschnittserweiterung erfolgen kann.
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Insgesamt ist die Querschnittsänderungseinheit nur wenige Bauteile aufweisend ausgebildet, wodurch der erfindungsgemäße Luftführungsabschnitt wirksam und kostengünstig herstellbar ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt. Im Abgasführungsabschnitt ist ein Turbinenrad in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen. Im Luftführungsabschnitt ist ein Verdichterrad in einer Radkammer des Luftführungsabschnitts ebenfalls drehbar aufgenommen, wobei das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Luftführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet. Der erfindungsgemäße Luftführungsabschnitt führt im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Verschiebung der Pumpgrenze des Abgasturboladers, so dass eine Steigerung hin zu kleineren Massenströmen durch den Luftführungsabschnitt möglich ist. Insgesamt steigert sich im Bereich der kleinen Massenströme der Wirkungsgrad des Abgasturboladers, und es kann demzufolge eine Reduzierung von verbrennungskraftmaschinenspezifischen Emissionen einer in Verbindung mit dem Abgasturbolader stehenden Verbrennungskraftmaschine herbeigeführt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitt mit einem Einlasskanal in einem vollständig geöffneten Zustand,
- 2 in einem Längsschnittausschnitt den Luftführungsabschnitt gem. 1 mit dem Einlasskanal in teilweise geschlossenem Zustand,
- 3 in einer Detailansicht III den Luftführungsabschnitt gem. 1, und
- 4 in einer Detailansicht IV den Luftführungsabschnitt gem. 2.
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Ein erfindungsgemäßer Luftführungsabschnitt 1 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 2, welcher durchströmbar ausgebildet ist, ist in 1 illustriert. Der Luftführungsabschnitt 1 ist in einem Ansaugstrang einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt. Der Abgasturbolader 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, wobei der Luftführungsabschnitt in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar aufgenommen ist.
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Der Abgasturbolader 2 umfasst ein Laufzeug 3, welches ein Verdichterrad 4 zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad 4 mit dem Turbinenrad drehfest verbindende, nicht näher dargestellte Welle aufweist. Die Welle ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 2 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt 1 und dem Abgasführungsabschnitt positioniert ist.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt weist dieser zumindest einen nicht näher dargestellten Spiralkanal und einen stromauf des Spiralkanals im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten nicht näher dargestellten Eintrittskanal auf. Der Eintrittskanal dient einer Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine das Turbinenrad in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle wird das Verdichterrad 4 ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Das Verdichterrad 4 ist in einer Radkammer 5 des Luftführungsabschnitts 1 um seine Drehachse 6 drehbar aufgenommen und weist an einer Nabe 7 eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 8 auf. Stromab der Radkammer 5 ist ein ringförmiger Spiralkanal 9 das Verdichterrad 4 umfassend ausgebildet, wobei zwischen dem Spiralkanal 9 und der Radkammer 5 ein Diffusorkanal 10 zur weiteren Konditionierung des vom Verdichterrad angesaugten und verdichteten Fluids ausgestaltet ist. Stromauf der Radkammer 5 weist der Luftführungsabschnitt 1 einen Eintrittskanal 11 auf, über den das zu verdichtende Fluid einströmen kann.
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Im Eintrittskanal 11 ist eine Querschnittsänderungseinheit 12 zur Veränderung eines Eintrittsquerschnitts 13 des Eintrittskanals 11 angeordnet. Die Querschnittsänderungseinheit 12 ist zur Änderung des Eintrittsquerschnitts 13 ausgehend von einem größten Kanaldurchmesser DG in Richtung eines kleinsten Kanaldurchmessers DK ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die Änderung des Eintrittsquerschnitts 13 von einer Kanalwand 14 des Eintrittskanals 11 in Richtung seiner Mitte erfolgt.
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Ein Wirkelement 15 der Querschnittsänderungseinheit 12, welches den Eintrittsquerschnitt 13 variierbar ausgebildet ist, ist koaxial mit dem Verdichterrad 4 angeordnet. Es ist stromauf des Verdichterrades 4 eine ringförmige Kammer 16 im Luftführungsabschnitt 1 ausgebildet, in der das Wirkelement 15 in einem vollständig geöffneten Zustand des Eintrittskanals 11 vollständig aufgenommen ist, wie in 1 dargestellt.
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Die Kammer 16 ist in unmittelbarer Nähe des Verdichterrades 4 ausgebildet, derart, dass in der Einstellung des kleinsten Kanaldurchmessers DK eine den Eintrittskanal 11 durchströmende Verbrennungsluft in ihrem thermodynamischen Zustand zwischen einem Durchströmen der Querschnittsänderungseinheit 12 und einem Eintreten in das Verdichterrad 4 nahezu unverändert ist.
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Das Wirkelement 15 ist die Querschnittsänderung herbeiführend ausgebildet. Bevorzugt ist das Wirkelement 15 elastisch ausgebildet, derart, dass eine stufenlose Querschnittsänderung realisierbar ist.
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Das Wirkelement 15 ist schlauchartig ausgestaltet und weist ein Querschnittsprofil 17 auf, welches in einen ersten Profilabschnitt 18, einen dem ersten Profilabschnitt 18 gegenüberliegend ausgebildeten zweiten Profilabschnitt 19 und zwischen den beiden Profilabschnitten 18, 19 ausgebildet einen weiteren Profilabschnitt 20 aufweist. Zwischen dem ersten Profilabschnitt 18 und dem zweiten Profilabschnitt 19 liegt ein veränderbarer Hohlraum 21 vor.
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Im zweiten Profilabschnitt 19 ist das Wirkelement 15 mit einem durchströmbaren rohrförmigen Durchströmkanal 22 der Querschnittsänderungseinheit 12 durchströmbar verbunden, wobei im Durchströmkanal 22 ein Regelventil 23 zur regelbaren Freigabe oder Sperrung eines Durchströmquerschnitts 24 des Durchströmkanals 22 vorgesehen ist. Über den Ausströmabschnitt 22 ist somit der Hohlraum 21 befüllbar oder entleerbar.
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Eine Befüllung des Hohlraumes 21 ist ausschließlich ausgehend von der Position des Wirkelementes 15, welches es zur Realisierung des größten Kanaldurchmessers DG einnimmt, bis zu der Position, welches es zur Realisierung des kleinsten Kanaldurchmessers DK einnimmt, möglich. Damit ausgehend von der Position zur Realisierung des kleinsten Kanaldurchmessers DK wieder der Durchströmquerschnitt 24 vergrößert wird, muss der Hohlraum 21 entleert werden.
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Die Befüllung bzw. die Entleerung des Hohlraumes 21 bewirkt ein Ausstülpen des ersten Profilabschnitts 18 in Richtung des Eintrittkanals 11 bzw. ein Umklappen oder Einstülpen des ersten Profilabschnitts 18 in Richtung des zweiten Profilabschnitts 19. Dabei ist der weitere Profilabschnitt 20, welcher zwischen dem ersten Profilabschnitt 18 und dem zweiten Profilabschnitt 19 ausgebildet ist, elastisch ausgeführt sowie zur verbesserten Bewegung des ersten Profilabschnitts 18 dieser ebenfalls. Jedoch ist im Rahmen dieser Erfindung die Elastizität nicht so zu verstehen, dass eine Ausdehnung des Querschnittprofils bezogen auf seinen Umfang erfolgt, sondern der Umfang des Querschnittsprofils in seiner Länge bleibt nahezu erhalten, wobei sich insbesondere der weitere Profilabschnitt 20 in seiner Länge ändern könnte. Dies ist im Wesentlichen abhängig vom verwendeten Material.
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In 2 ist das Wirkelement 15 in seiner den kleinsten Kanaldurchmesser DK realisierenden Position dargestellt. Der erste Profilabschnitt 18 ist in den Eintrittskanal 11 hineinragend positioniert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste Profilabschnitt zusätzlich ein Frontelement 25 auf, welches eine weitere Erstreckung des Wirkelementes 15 in den Eintrittskanal 11 herbeiführt. Das Frontelement 25 ist plastisch ausgebildet und nur gering deformierbar. Des Weiteren ist es sich über den Umfang des ersten Profilelementes 18, somit ringformartig, erstreckend ausgebildet. Ebenso könnte es abschnittsweise am Profilelement 18 ausgestaltet sein, wodurch sich eine zeitreduzierte Einstülpung des ersten Profilabschnitts 18 ergeben kann. Auch könnte das Frontelement 25 ebenfalls hohl ausgeführt sein und/oder an seiner dem Eintrittskanal 11 zugewandt ausgebildeten Stirnfläche 26 profiliert ausgebildet sein, derart, dass dadurch ebenfalls eine zeitreduzierte Einstülpung erfolgen kann. Die profilierte Stirnfläche 26 könnte beispielsweise sich über den Innenumfang 27 des Frontelementes 25 erstreckende, in axialer Richtung parallel angeordnete Ringe aufweisen, so dass beim Einstülpen die zwischen den Ringen ausgebildeten materialfreien Zwischenräume einer Aufnahme der Ringe dienen können.
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Die Befüllung des Hohlraumes 21 wird mit Hilfe einer Druckluftbeaufschlagung herbeigeführt, wobei die Befüllung und die Entleerung des Hohlraumes 21 in Abhängigkeit eines gewünschten Ladedruckes des Abgasturboladers 2 und einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Steuer- und Regelelementes der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Wirkelement 15 mit Hilfe von im Luftführungsabschnitt 1 stromab des Verdichterrades 4 komprimiertem Fluid beaufschlagt.
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Die 3 und 4 dienen einer verbesserten Darstellung des Wirkelementes 15. Zwischen dem größten Kanaldurchmesser DG und dem kleinsten Kanaldurchmesser DK auszubildende Kanaldurchmesser sind stufenlos einstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010026176 B4 [0003]
- DE 102012011423 B3 [0004]
