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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine variable Düseneinheit, die in der Lage ist, eine Durchlassfläche (einen Durchfluss) eines Abgases zu variieren, welches zu einem Turbinenlaufrad in einem Turbolader mit variablem Geometriesystem zuzuführen ist, und dergleichen.
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[Hintergrundtechnologie]
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Verschiedene Entwicklungen wurden für eine variable Düseneinheit getätigt, die im Inneren eines Turbinengehäuses eines Turboladers mit variablem Geometriesystem zu platzieren ist. Der Anmelder dieser Anmeldung hat bereits Anmeldungen eingereicht, die sich auf Entwicklungen für die variable Düseneinheit beziehen (siehe PTL 1 und PTL 2). Eine genaue Konfiguration der sich auf die herkömmliche Technologie beziehenden variablen Düseneinheit ist Folgende.
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Ein Stützring ist im Inneren eines Turbinengehäuses platziert. Der Stützring hat einen ringartigen Basisabschnitt. Ein zylinderförmiger Zwischenabschnitt ist an einer Außenumfangskante dieses Basisabschnitts (des Basisabschnitts des Stützrings) ausgebildet, sodass er in Richtung der einen Seite in einer Achsrichtung eines Turbinenlaufrads vorragt. Außerdem ist ein ringartiger Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) einstückig an einer Vorderendkante des Zwischenabschnitts des Stützrings ausgebildet, sodass er in einer radialen Richtung des Stützrings nach außen vorragt. Der Vorderendkantenabschnitt (der Flanschabschnitt des Stützrings) ist zwischen dem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse eines Turboladers mit variablem Geometriesystem gehalten.
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An dem Basisabschnitt des Stützrings ist einstückig ein Düsenring vorgesehen, indem Endabschnitte (Endabschnitte in der Achsrichtung) jeweils von drei oder mehreren Verbindungsstiften mittels Vernieten an den Basisabschnitt gefügt werden, wobei die Verbindungsstifte in der Umfangsrichtung des Stützrings angeordnet sind. An einer von dem Düsenring in der Achsrichtung entfernten Position ist ein Abdeckring einstückig an dem Düsenring vorgesehen, indem gegenüberliegende Endabschnitte (in der Achsrichtung gegenüberliegende Endabschnitte) jeweils der mehreren Verbindungsstifte (durch Nieten) an den Abdeckring gepasst werden. Der Abdeckring bedeckt Vorderendkanten von mehreren Turbinenschaufeln des Turbinenlaufrads.
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Zwischen sich gegenseitig zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings sind mehrere variable Düsen bei gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung platziert. Jede variable Düse ist in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen (Öffnungs- und Schließrichtungen) an ihrer Achse drehbar, die parallel zu einer Achse des Turbinenlaufrads verläuft. Wenn diesbezüglich die mehreren variablen Düsen synchron in der Vorwärtsrichtung (Öffnungsrichtung) gedreht werden, dann wird die Durchlassfläche für ein zu dem Turbinenlaufrad zuzuführendes Abgas größer. Wenn die mehreren variablen Düsen synchron in der Rückwärtsrichtung (Schließrichtung) gedreht werden, dann wird die Durchlassfläche des zu dem Turbinenlaufrad zuzuführenden Abgases kleiner.
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[Druckschriftenliste]
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[Patentdruckschriften]
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- [PTL 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-243431
- [PTL 2] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-243300
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[Zusammenfassung der Erfindung]
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[Technisches Problem]
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Übrigens werden während des Betriebs des Turboladers mit variablem Geometriesystem die Bauteiltemperaturen des Basisabschnitts und eines basisendkantenseitigen Abschnitts des Zwischenabschnitts des Stützrings höher, da der Basisabschnitt und der basisendkantenseitige Abschnitt des Zwischenabschnitts Wärme von dem Düsenring aufnehmen. Die Bauteiltemperaturen des Vorderendkantenabschnitts (Flanschabschnitts) und des vorderendkantenseitigen Abschnitts des Zwischenabschnitts des Stützrings werden niedriger, da das Lagergehäuse Wärme von dem Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) und dem vorderendkantenseitiger Abschnitt des Zwischenabschnitts absorbiert (kühlt). Aus diesen Gründen wird der Stützring, insbesondere der Zwischenabschnitt des Stützrings thermisch verformt, sodass er sich von der Innenseite ausdehnt. In Antwort auf diese thermische Verformung wird der Düsenring verformt. Als ein Ergebnis verschlechtert sich die Parallelität zwischen den sich gegenseitig zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings, und der Zwischenraum zwischen den sich gegenseitig zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings wird örtlich enger.
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Vor diesem Hintergrund wird das unsanfte Drehen der mehreren, variablen Düsen verhindert und die Stabilität des Drehbetriebs der mehreren variablen Düsen wird normalerweise ausreichend sichergestellt, indem ein größerer düsenseitiger Zwischenraum festgelegt wird, um einen minimalen Zwischenraum zwischen den sich gegenseitig zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings größer als die Breiten (die Längen in der Achsrichtung) der variablen Düsen werden zu lassen, während der Turbolader mit variablem Geometriesystem in Betrieb ist. Falls jedoch ein zu großer düsenseitiger Zwischenraum eingestellt wird, nimmt eine Leckageströmung des Abgases durch den düsenseitigen Zwischenraum zu, und es wird schwierig, die Turbineneffizienz des Turboladers mit variablem Geometriesystem auf ein hohes Niveau zu verbessern. Im Übrigen bedeutet der düsenseitige Zwischenraum einen Zwischenraum zwischen der zugewandten Fläche des Düsenrings und Seitenflächen der jeweiligen variablen Düsen an der einen Seite in der Achsrichtung, oder einen Zwischenraum zwischen der zugewandten Fläche des Abdeckrings und Seitenflächen der jeweiligen variablen Düsen an der entgegengesetzten Seite in der Achsrichtung.
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Kurz gesagt bestand ein Problem darin, dass es schwierig war, die Turbineneffizienz des Turboladers mit variablem Geometriesystem zu verbessern, während die Stabilität des Drehbetriebs der mehreren variablen Düsen ausreichend sichergestellt ist.
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Unter Berücksichtigung dieses Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine variable Düseneinheit und dergleichen bereitzustellen, die in der Lage sind, das obige Problem zu lösen.
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[Lösung des Problems]
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Ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine variable Düseneinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein Turbinenlaufrad im Inneren eines Turbinengehäuses eines Turbinenlagers mit variablem Geometriesystem umgebend platziert wird, und die in der Lage ist, eine Durchlassfläche eines zu dem Turbinenlaufrad zuzuführenden Abgases zu variieren. Diese variable Düseneinheit weist zusammenfassend Folgendes auf: einen Stützring, der so konfiguriert ist, dass er im Inneren des Turbinengehäuses, das einen ringartigen Basisabschnitt aufweist, platziert wird, einen zylindrischen Zwischenabschnitt, der an einer Außenumfangskante des Basisabschnitts einstückig ausgebildet ist, sodass er in Richtung einer Seite in einer Achsrichtung des Turbinenlaufrads vorragt, und einen ringförmigen Vorderendkantenabschnitt, der einstückig an einer Vorderendkante des Zwischenabschnitts ausgebildet ist, sodass er in einer Radialrichtung des Stützrings nach außen vorragt, und der zwischen dem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse des Turboladers mit variablem Geometriesystem gehalten ist; einen Düsenring, der einstückig an dem Basisabschnitt des Stützrings vorgesehen ist, indem Endabschnitte von drei oder mehreren Verbindungsstiften an dessen Basisabschnitt gefügt werden, wobei die Verbindungsstifte in einer Umfangsrichtung des Basisabschnitts angeordnet sind; einen Abdeckring, der einstückig an dem Düsenring vorgesehen ist, indem entgegengesetzte Endabschnitte der Vielzahl von Verbindungsstiften an den Abdeckring an einer von dem Düsenring in der Achsrichtung entfernten Position gefügt werden, und der Vorderendkanten jeweils einer Vielzahl von Turbinenschaufeln des Turbinenlaufrads abdeckt; und eine Vielzahl von variablen Düsen, die zwischen einander zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings in einer Umfangsrichtung des Düsenrings oder des Abdeckrings platziert sind und die in der Lage sind, an ihren Achsen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen zu drehen, wobei die Achsen parallel zu einer Achse des Turbinenlaufrads verlaufen, wobei der Basisabschnitt des Stützrings so viele Fügebereiche wie Verbindungsstifte aufweist, die Verbindungsbereiche jeweils Stiftlöcher umgeben, durch welche die Endabschnitte der Verbindungsstifte einzusetzen sind, wobei die Fügebereiche mit einer gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings von dessen zugewandter Fläche in Kontakt sind, und die Fügebereiche in einer Umfangsrichtung des Stützrings angeordnet sind, und ein Einschnitt in jedem von Teilen des Stützrings ausgebildet ist, die sich jeweils in der Radialrichtung des Stützrings außerhalb der jeweiligen Fügebereiche befinden.
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Es sollte hier angemerkt werden, dass in der Beschreibung und dem Umfang der Ansprüche dieser Anmeldung die Bedeutung „platziert“ das direkte Platzieren und das indirekte Platzieren mit einem dazwischen angeordneten anderen Bauteil beinhaltet; dass die Bedeutung von „vorgesehen“ direktes Vorsehen und indirektes Vorsehen mit einem dazwischen angeordneten anderen Bauteil beinhaltet; und dass die Bedeutung von „fügen“ das Fügen durch Nieten, das Fügen durch Schweißen und dergleichen beinhaltet.
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Falls gemäß dem ersten Gesichtspunkt die Kraftmaschinendrehzahl in einem hohen Drehzahlbereich liegt und der Durchfluss des Abgases hoch ist, wird der Verbindungsmechanismus betätigt und der Verbindungsmechanismus dreht somit die mehreren variablen Düsen synchron in der Vorwärtsrichtung (der Öffnungsrichtung). Dadurch wird die Gasdurchlassfläche des zu dem Turbinenlaufrad zuzuführenden Abgases vergrößert und dementsprechend wird mehr Abgas zu dem Turbinenlaufrad zugeführt. Falls hingegen die Kraftmaschinendrehzahl in einem niedrigen Drehzahlbereich liegt und der Durchfluss des Abgases niedrig ist, dreht der Verbindungsmechanismus die mehreren variablen Düsen synchron in der Rückwärtsrichtung (der Schließrichtung). Dadurch wird die Gasdurchlassfläche des zu dem Turbinenlaufrad zuzuführenden Abgases verringert und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird dementsprechend erhöht. Somit wird die durch das Turbinenlaufrad durchzuführende Arbeitslast zufriedenstellend sichergestellt. Dadurch ist das Turbinenlaufrad ungeachtet dessen, ob der Durchfluss des Abgases hoch oder niedrig ist, in der Lage, eine Rotationskraft der Kraftmaschine zufriedenstellend und stabil zu erzeugen.
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Zusätzlich zu dem vorherigen Betrieb, der zuvor beschrieben ist, hat der Basisabschnitt des Stützrings mehrere Fügebereiche, die in der Umfangsrichtung des Stützrings angeordnet sind, sodass sie die jeweiligen Stiftlöcher umgeben und von der zugewandten Fläche des Düsenrings mit der gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings in Kontakt sind. Der Einschnitt ist in der Radialrichtung des Stützrings außerhalb jedes Fügebereichs des Stützrings ausgebildet. Aus diesem Grund kann selbst dann, wenn der Zwischenabschnitt des Stützrings während des Betriebs des Turboladers mit variablem Geometriesystem derart thermisch verformt wird, dass er sich nach außen aufweitet, verhindert werden, dass sich der Düsenring in Antwort auf die thermische Verformung des Zwischenabschnitts verformt. Dadurch kann die Parallelität zwischen den einander zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings während des Betriebs des Turboladers mit variablem Geometriesystem zufriedenstellend sichergestellt werden, ohne dass ein größerer düsenseitiger Zwischenraum festgelegt wird. Mit anderen Worten kann der düsenseitige Zwischenraum so stark wie möglich verringert werden, während die Parallelität zwischen den einander zugewandten Flächen des Düsenrings und des Abdeckrings während des Betriebs des Turboladers mit variablem Geometriesystem zufriedenstellend sichergestellt wird.
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Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader mit variablem Geometriesystem, der so konfiguriert ist, dass er zu einer Kraftmaschine zuzuführende Luft unter Verwendung von Energie eines Abgases der Kraftmaschine auflädt, zusammengefasst als die variable Düseneinheit gemäß dem ersten Gesichtspunkt aufweisend.
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Der zweite Gesichtspunkt bringt den gleichen Betrieb und die gleiche Wirkung hervor wie der erste Gesichtspunkt.
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[Wirkungen der Erfindung]
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Die vorliegende Erfindung kann die Stabilität des Drehbetriebs der mehreren variablen Düsen zufriedenstellend sicherstellen, indem ein unsanftes Drehen der mehreren variablen Düsen verhindert wird, und kann gleichzeitig die Turbineneffizienz des Turboladers mit variablem Geometriesystem verbessern, indem der Leckagestrom des Abgases durch den düsenseitigen Zwischenraum verringert wird.
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[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
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1(a) ist eine Perspektivansicht eines Stützrings eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 1(b) ist eine Perspektivansicht einer variablen Düseneinheit des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine vergrößerte Ansicht eines durch einen Pfeil angegebenen Abschnitts II in 3.
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3 ist eine vordere Schnittansicht eines Turboladers mit variablem Geometriesystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4(a) ist eine Perspektivansicht eines Stützrings einer Modifikation 1 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 4(b) ist eine Perspektivansicht eines Stützrings einer Modifikation 2 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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5 ist eine Perspektivansicht eines Stützrings einer Modifikation 3 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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[Beschreibung von Ausführungsbeispielen]
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Unter Bezugnahme auf 1 bis 5 werden Beschreibungen für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Es ist hier anzumerken, dass „L“ und „R“ jeweils links und rechts bedeuten, wie dies in den Zeichnungen gezeigt ist.
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Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Turbolader 1 mit variablem Geometriesystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Turbolader, der dazu konfiguriert ist, zu einer Kraftmaschine (deren Darstellung ausgelassen ist) zuzuführende Luft aufzuladen (zu verdichten), indem Energie eines Abgases von der Kraftmaschine verwendet wird. Eine genaue Konfiguration des Turboladers 1 mit variablem Geometriesystem ist Folgende:
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Der Turbolader 1 mit variablem Geometriesystem hat ein Lagergehäuse 3. Ein Radiallager 5 und ein Paar Achsschublager 7 sind im Inneren des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Eine Rotorwelle (Turbinenwelle) 9, die sich in einer Links-Rechts-Richtung erstreckt, ist drehbar an den mehreren Lagern 5, 7 vorgesehen. Mit anderen Worten ist die Rotorwelle 9 drehbar an dem Lagergehäuse 3 vorgesehen, wobei mehrere Lager 5, 9 dazwischen angeordnet sind.
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Ein Kompressorgehäuse 11 ist rechts des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Ein Kompressorlaufrad 13 ist im Inneren des Kompressorgehäuses 11 derart vorgesehen, dass es an seiner Achse (mit anderen Worten der Achse der Rotorwelle 9) C drehbar ist. Außerdem weist das Kompressorlaufrad 13 Folgendes auf: ein Kompressorrad 15, das mit einem rechten Endabschnitt der Rotorwelle 9 einstückig verbunden ist; und mehrere Kompressorschaufeln 17, die an einer Außenumfangsfläche des Kompressorrads 15 bei gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung des Kompressorrads 15 vorgesehen sind.
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Ein Lufteinbringanschluss 19, durch welchen Luft einzubringen ist, ist in dem Kompressorgehäuse 11 an der Seite eines Einlasses des Kompressorlaufrads 13 (in einem rechten Abschnitt des Kompressorgehäuses 11) ausgebildet. Der Lufteinbringanschluss 19 ist an einen Luftreiniger (dessen Darstellung ausgelassen ist) anschließbar, der zum Reinigen der Luft konfiguriert ist. Ein ringförmiger Diffusordurchlass 21, der dazu konfiguriert ist, den Druck der verdichteten Luft zu verstärken, ist an der Seite eines Auslasses des Kompressorlaufrads 13 zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem Kompressorgehäuse 11 ausgebildet. Der Diffusordurchlass 21 ist mit dem Lufteinbringanschluss 19 in Verbindung. Außerdem ist ein schraubenförmiger Kompressorschraubendurchlass 23 im Inneren des Kompressorgehäuses 11 ausgebildet. Der Kompressorschraubendurchlass 23 ist mit dem Diffusordurchlass 21 in Verbindung. Außerdem ist ein Luftabgabeanschluss 25, durch welchen die verdichtete Luft abzugeben ist, in dem Kompressorgehäuse 11 an einer geeigneten Position ausgebildet. Der Luftabgabeanschluss 25 ist mit dem Kompressorschraubendurchlass 23 in Verbindung und ist an einen Einlasskrümmer (dessen Darstellung ausgelassen ist) der Kraftmaschine anschließbar.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist an der linken Seite des Lagergehäuses 3 ein Turbinengehäuse 27 vorgesehen. Ein Turbinenlaufrad 29, das dazu konfiguriert ist, eine Rotationskraft (ein Drehmoment) unter Verwendung von Druckenergie des Abgases zu erzeugen, ist im Inneren des Turbinengehäuses 27 auf eine solche Art vorgesehen, dass es an seiner Achse (mit anderen Worten der Achse der Rotorwelle 9) C drehbar ist. Das Turbinenlaufrad 29 weist auf: ein Turbinenrad 31, das einstückig an einem linken Endabschnitt der Rotorwelle 9 vorgesehen ist; und mehrere Turbinenschaufeln 33, die an einer Außenumfangsfläche des Turbinenrads 31 bei gleichen Intervallen in einer Umfangsrichtung des Turbinenrads 31 vorgesehen sind.
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Ein Gaseinbringanschluss 35, durch welchen das Abgas einzubringen ist, ist in dem Turbinengehäuse 27 an einer geeigneten Position ausgebildet. Der Gaseinbringabschnitt 35 ist an einen Abgaskrümmer (dessen Darstellung ausgelassen ist) der Kraftmaschine anschließbar. Ein schraubenförmiger Turbinenschraubendurchlass 37 ist im Inneren des Turbinengehäuses 27 ausgebildet. Der Turbinenschraubendurchlass 37 ist mit dem Gaseinbringanschluss 35 in Verbindung. Außerdem ist ein Gasabgabeanschluss 39, durch welches das Abgas abzugeben ist, in dem Turbinengehäuse 27 an der Seite eines Auslasses des Turbinenlaufrads 29 (der linken Seite des Turbinengehäuses 27) ausgebildet. Der Gasabgabeanschluss 39 ist mit dem Turbinenschraubendurchlass 37 in Verbindung und ist an ein Abgasemissionssteuerungsstystem (dessen Darstellung ausgelassen ist) anschließbar, welches zum Reinigen des Abgases konfiguriert ist. Ein ringförmiger Stufenabschnitt 41 ist im Inneren des Turbinengehäuses 27 an der Seite eines Einlasses des Gasabgabeanschlusses 39 ausgebildet.
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Es ist anzumerken, dass ein ringförmiger Wärmeisolator 43, der dazu konfiguriert ist, Wärme von der Seite des Turbinenlaufrads 29 zu blockieren, an einer linken Seitenfläche des Lagergehäuses 3 vorgesehen ist. Eine gewellte Unterlegscheibe (ein Federring) 45 ist zwischen der linken Seitenfläche des Lagergehäuses 3 und einem Außenkantenabschnitt des Wärmeisolators 43 vorgesehen. Die gewellte Unterlegscheibe 45 spannt den Wärmeisolator 43 in Richtung eines Düsenrings 57 vor, der später beschrieben wird. Im Übrigen kann die gewellte Unterlegscheibe 45 durch ein elastisches Element ausgetauscht werden, etwa eine Tellerfeder oder eine Blattfeder, das die gleiche Funktion wie die gewählte Unterlegscheibe 45 ausübt.
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Im Inneren des Turbinengehäuses 27 ist eine variable Düseneinheit 47 zwischen dem Turbinenschraubendurchlass 37 und dem Gasabgabeanschluss 39 in einer solchen Art platziert, dass sie das Turbinenlaufrad 29 umgibt. Die variable Düseneinheit 47 ist in der Lage, die Durchlassfläche (einen Durchfluss) des zu dem Turbinenlaufrad 29 zuzuführenden Abgases zu variieren. Zu diesem Zweck ist eine genaue Konfiguration der variablen Düseneinheit 47 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung folgendermaßen.
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Wie in 1(a), 1(b) und 2 gezeigt ist, ist im Inneren des Turbinengehäuses 27 ein Stützring 49 koaxial zu dem Turbinenlaufrad 29 platziert. Der Stützring 49 hat einen ringförmigen Basisabschnitt 51, der sich koaxial zu dem Turbinenlaufrad 29 befindet. Ein zylindrischer Zwischenabschnitt 53 ist einstückig an einer Außenumfangskante des Basisabschnitts 51 (des Basisabschnitts 51 des Stützrings 49) so ausgebildet, dass er nach rechts vorragt (in Richtung einer Seite in einer Achsrichtung des Turbinenlaufrads 29). Ein ringförmiger Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) 55 ist einstückig an einer Vorderendkante des Zwischenabschnitts 53 des Stützrings 49 so ausgebildet, dass er in einer Radialrichtung des Stützrings 49 nach außen vorragt. Der Vorderendkantenabschnitt 55 (der Flanschabschnitt 55 des Stützrings 49) ist zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem Turbinengehäuse 27 gehalten.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist der Düsenring 57 einstückig an dem Basisabschnitt 51 des Stützrings 49 vorgesehen, indem Endabschnitte (Endabschnitte in der Achsrichtung des Turbinenlaufrads 29) von jeweils drei Verbindungsstiften 59 durch Vernieten an den Basisabschnitt 51 gefügt werden, wobei deren Endabschnitte in einer Umfangsrichtung des Basisabschnitts 51 angeordnet sind. Der Düsenring 57 befindet sich koaxial zu dem Turbinenlaufrad 29. Ein Außenumfangskantenabschnitt des Wärmeisolators 43 ist an einen Innenumfangskantenabschnitt des Düsenrings 57 mit der vorspannenden Kraft der gewählten Unterlegscheibe 45 gepasst, die den Außenumfangskantenabschnitt des Wärmeisolators 43 mit dem Innenumfangskantenabschnitt des Düsenrings 57 in Presskontakt bringt. Außerdem sind mehrere Stützlöcher 61 (auch wenn nur ein Stützloch 61 dargestellt ist), die den Düsenring 57 durchdringen, in dem Düsenring 57 bei gleichen Intervallen in einer Umfangsrichtung des Düsenrings 57 ausgebildet. Auch wenn die Anzahl der Verbindungsstifte 59 in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung drei beträgt, kann die Anzahl der Verbindungsstifte 59 übrigens vier oder mehr betragen.
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An einer von dem Düsenring 57 in der Links-Rechts-Richtung (der Achsrichtung des Turbinenlaufrads 29) entfernten und gegenüberliegenden Position ist ein Abdeckring 63 einstückig an dem Düsenring 57 vorgesehen, indem entgegengesetzte Endabschnitte (entgegengesetzte Endabschnitte in der Achsrichtung des Turbinenlaufrads 29) jeweils der mehreren Verbindungsstifte 59 durch Nieten an den Düsenring 57 gefügt werden. Der Abdeckring 63 befindet sich koaxial zu dem Turbinenlaufrad 29. In dem Abstützring 63 sind bei gleichen Intervallen in einer Umfangsrichtung des Abdeckrings 63 mehrere Stützlöcher 65 ausgebildet. Die mehreren Stützlöcher 65 stimmen mit den mehreren Stützlöchern 61 des Düsenrings 57 überein. Die mehreren Verbindungsstifte 59 haben eine Funktion darin, einen Zwischenraum zwischen einander zugewandten Flächen des Düsenrings 57 und des Abdeckrings 63 einzustellen.
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Der Abdeckring 63 hat einen zylindrischen Abdeckabschnitt 67, der an dessen Innenumfangskantenseite vorgesehen ist, um Außenkanten der mehreren Turbinenschaufeln 33 abzudecken. Der Abdeckabschnitt 76 ragt in Richtung des Gasabgabeanschlusses 39 (in Richtung einer stromabwärtigen Seite) vor und befindet sich innerhalb des Stufenabschnitts 41 des Turbinengehäuses 27. Zusätzlich ist eine Ringnut (eine Umfangsnut) 69 in einer Außenumfangsfläche des Abdeckabschnitts 67 des Abdeckrings 63 ausgebildet. Außerdem sind die mehreren Dichtungsringe 71 in einer Innenumfangsfläche des Stufenabschnitts 41 des Turbinengehäuses 27 in einer solchen Art vorgesehen, dass sie durch ihre eigene elastische Kraft (elastische Kraft der mehreren Dichtungsringe 71) miteinander in Presskontakt gebracht werden. Die mehreren Dichtungsringe 71 verhindern die Leckage des Abgases von der Seite des Turbinenschraubendurchlasses 37. Innenumfangskantenabschnitte der jeweiligen Dichtungsringe 71 sind in Ringnuten 69 des Abdeckrings 63 gepasst.
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Zwischen den einander zugewandten Flächen des Düsenrings 57 und des Abdeckrings 63 sind mehrere variable Düsen 73 bei gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung des Düsenrings 57 (oder des Abdeckrings 63) platziert. Jede variable Düse 73 ist an ihrer Achse drehbar, die parallel zu der Achse C des Turbinenlaufrads 29 verläuft, und zwar in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen (Öffnungs- und Schließrichtungen). Außerdem ist eine erste Düsenwelle 75 einstückig an einer rechten Seitenfläche (einer Seitenfläche an der einen Seite in der Achsrichtung des Turbinenlaufrads 29) einer jeden variablen Düse 73 ausgebildet. Die erste Düsenwelle 75 einer jeden variablen Düse 73 ist durch das entsprechende Stützloch 61 des Düsenrings 57 drehbar gestützt. Eine zweite Düsenwelle 77 ist einstückig an einer linken Seitenfläche (einer Seitenfläche an der gegenüberliegenden Seite in der Achsrichtung des Turbinenlaufrads 29) einer jeden variablen Düse 73 in einer solchen Art ausgebildet, dass sie koaxial zu der ersten Düsenwelle 75 ist. Die zweite Düsenwelle 77 einer jeden variablen Düse 73 ist durch das entsprechende Stützloch 65 des Abdeckrings 63 drehbar gestützt. Im Übrigen müssen Zwischenräume (Abstände) zwischen benachbarten variablen Düsen 73 nicht konstant mit der Form und dem aerodynamischen Einfluss einer jeden berücksichtigten variablen Düse 73 sein. In dem Fall, dass die Zwischenräume zwischen benachbarten variablen Düsen 73 nicht konstant sind, werden Zwischenräume zwischen benachbarten Stützlöchern 61 und Zwischenräume zwischen benachbarten Stützlöchern 65 so eingestellt, dass sie mit den Zwischenräumen zwischen den einander benachbarten variablen Düsen 73 übereinstimmen.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Verbindungsmechanismus (Synchronisationsmechanismus) 81, der so konfiguriert ist, dass er die mehreren variablen Düsen 73 synchron in den Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen (den Öffnungs- und Schließrichtungen) dreht, im Inneren einer ringförmigen Verbindungskammer 79 platziert, die an der der zugewandten Fläche gegenüberliegenden Seite des Düsenrings 57 ausgebildet ist. Der Verbindungsmechanismus 81 ist mit den ersten Düsenwellen 75 der mehreren variablen Düsen 73 verbunden und an diese angeschlossen. Der Verbindungsmechanismus 81 hat eine allgemein bekannte Konfiguration, die in den zuvor angegebenen Patentdruckschriften PTL 1 und 2 gezeigt ist. Der Verbindungsmechanismus 81 ist über einen Leistungsübertragungsmechanismus 83 an einen Drehaktuator (dessen Darstellung ausgelassen ist), etwa einen Motor oder einen Zylinder, angeschlossen, der so konfiguriert ist, dass er die mehreren variablen Düsen 73 in Öffnungs- und Schließrichtungen dreht.
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Nachstehend werden Beschreibungen bezüglich eines Hauptteils der Konfiguration der variablen Düseneinheit 47 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
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Wie in 1(a) und 1(b) gezeigt ist, hat der Stützring 49 den ringförmigen Basisabschnitt 51, den zylindrischen Zwischenabschnitt 53 und den ringförmigen Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) 55, wie zuvor beschrieben ist. Außerdem hat der Basisabschnitt 51 des Stützrings 49 drei brückenförmige Fügebereiche A1 (so viele wie die Verbindungsstifte 59), die in der Umfangsrichtung vorgesehen sind. Jeder Fügebereich A1 umgibt ein Stiftloch 85, durch welches ein Endabschnitt des entsprechenden Verbindungsstifts 59 einzusetzen ist. Jeder Fügebereich A1 ist mit einer gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings 57 von seiner zugewandten Fläche in Kontakt.
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Erste Einschnitte 87 sind in Teilen des Stützrings 49 ausgebildet, die sich außerhalb der jeweiligen Fügebereiche A1 in der Radialrichtung des Stützrings 49 befinden. Genauer gesagt ist jeder erste Einschnitt 87 so ausgebildet, dass er sich von dem Basisabschnitt 51 zu dem Zwischenabschnitt 53 erstreckt. Der erste Einschnitt 87 erstreckt sich in einer zu dem Umfang des Düsenrings 57 tangentialen Richtung. Ein zweiter Einschnitt 89 oder zweite Einschnitte 91 sind in der Radialrichtung des Stützrings 49 außerhalb der jeweiligen Fügebereiche A1 und in einer Umfangsrichtung des Stützrings 49 zwischen benachbarten ersten Einschnitten 87, 87 ausgebildet. Der zweite Einschnitt 89 und die zweiten Einschnitte 91 erstrecken sich von dem Basisabschnitt 51 zu dem Zwischenabschnitt 53. Die ersten Einschnitte 87 und die zweiten Einschnitte 89, 91 sind so konfiguriert, dass sie in der Lage sind, eine Verformung (eine Verschiebung) des Zwischenabschnitts 53 des Stützrings 49 relativ zu den Fügebereichen A1 zuzulassen.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Breiten (Breiten in zu den Erstreckungsrichtungen senkrecht verlaufenden Richtungen) der ersten Einschnitte 87 und der zweiten Einschnitte 89, 91 beliebig sind, solange die Breiten die beabsichtigte Funktion und mechanische Festigkeit des Stützrings 49 sowie die zuvor beschriebene Funktion der Einschnitte nicht behindern. Mit anderen Worten kann jede Breite an jeder Stelle in ihrer Erstreckungsrichtung konstant sein. Auf der anderen Seite kann sich jede Breite beispielsweise in Übereinstimmung mit der Form ihrer benachbarten Bauteile ändern. Außerdem können die Werte der Breiten voneinander verschieden sein. In dem in 1(a) gezeigten Fall ist die Breite des Einschnitts 89 beispielsweise größer als die Breiten des ersten und zweiten Einschnitts 87, 91 eingestellt, wodurch eine Positionsbeziehung zwischen den Fügebereichen A1 wiedergespiegelt wird.
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Im Folgenden werden Beschreibungen für den Betrieb und die Wirkung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung angegeben.
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Das von dem Gaseinbringanschluss 35 eingebrachte Abgas passiert den Turbinenschraubendurchlass 37 und strömt von dem Einlass zu dem Auslass des Turbinenlaufrads 29. Dadurch erzeugt das Turbinenlaufrad 29 die Rotationskraft (das Drehmoment) unter Verwendung der Druckenergie des Abgases. Somit können die Rotorwelle 9 und das Kompressorlaufrad 13 einstückig mit dem Turbinenlaufrad 29 gedreht werden. Dadurch wird die von dem Lufteinbringanschluss 19 eingebrachte Luft komprimiert. Die komprimierte Luft passiert den Diffusordurchlass 21 und den Kompressorschraubendurchlass 23 und wird von dem Luftabgabeanschluss 28 abgegeben. Dadurch wird die zu der Kraftmaschine zuzuführende Luft aufgeladen (verdichtet).
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Falls die Kraftmaschinendrehzahl in einem hohen Drehzahlbereich liegt und der Durchfluss des Abgases hoch ist, während der Turbolader 1 mit variablem Geometriesystem arbeitet, betätigt der Drehaktuator den Verbindungsmechanismus 81 und der Verbindungsmechanismus 81 dreht somit die mehreren variablen Düsen 73 synchron in der Vorwärtsrichtung (der Öffnungsrichtung). Dadurch wird die Gasdurchlassfläche des (die Einschnürungsfläche der variablen Düsen 73 für das) Abgas(es), das zu dem Turbinenlaufrad 29 zuzuführen ist, vergrößert, und dementsprechend wird mehr Abgas zu dem Turbinenlaufrad 29 zugeführt. Falls sich andererseits die Kraftmaschinendrehzahl in einem niedrigen Drehzahlbereich befindet und der Durchfluss des Abgases niedrig ist, betätigt der Drehaktuator den Verbindungsmechanismus 81 und der Verbindungsmechanismus 81 dreht somit die mehreren variablen Düsen 73 synchron in der Rückwärtsrichtung (der Schließrichtung). Dadurch wird die Gasdurchlassfläche des zu dem Turbinenlaufrad 29 zuzuführenden Abgases verringert und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird dementsprechend erhöht. Dadurch wird die durch das Turbinenlaufrad 29 durchzuführende Arbeitslast ausreichend sichergestellt. Aus diesem Grund ist das Turbinenlaufrad 29 ungeachtet dessen, ob der Durchfluss des Abgases hoch oder niedrig ist, in der Lage, die Rotationskraft der Kraftmaschine ausreichend und stabil zu erzeugen (was die Standardfunktion des Turboladers 1 mit variablem Geometriesystem ist).
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Wie zuvor beschrieben ist, hat der Basisabschnitt 51 des Stützrings 49 die mehreren Fügebereiche A1, die in der Umfangsrichtung des Stützrings 49 so angeordnet sind, dass sie die jeweiligen Stiftlöcher 85 umgeben. Wie zuvor beschrieben ist, hat der Stützring 49 die ersten Einschnitte 87, den zweiten Einschnitt 89 und die zweiten Einschnitte 91, die um die Fügebereiche A1 herum ausgebildet sind. Aus diesem Grund kann selbst dann, wenn sich der Zwischenabschnitt 53 des Stützrings 49, während der Turbolader 1 mit variablem Geometriesystem in Betrieb ist, thermisch so verformt, dass er sich von innen aufweitet, der Düsenring 57 daran gehindert werden, sich in Antwort auf die thermische Verformung des Zwischenabschnitts 53 zu verformen. Dadurch kann während des Betriebs des Turboladers 1 mit variablem Geometriesystem die Parallelität zwischen den einander zugewandten Flächen des Düsenrings 57 und des Abdeckrings 63 ausreichend sichergestellt werden, ohne dass ein größerer düsenseitiger Zwischenraum eingestellt wird. Mit anderen Worten kann der düsenseitige Zwischenraum so stark wie möglich verringert werden, während die Parallelität zwischen den einander zugewandten Flächen des Düsenrings 57 und des Abdeckrings 63 während des Betriebs des Turboladers 1 mit variablem Geometriesystem ausreichend sichergestellt wird.
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Im Übrigen ist die Öffnungsfläche eines jeden ersten Einschnitts 87 und zweiten Einschnitts 91 klein. Aus diesem Grund kann der Stützring 59 seine Funktion als der Wärmeisolator für den Verbindungsmechanismus 81 beibehalten.
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Dementsprechend kann das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Stabilität des Drehbetriebs der mehreren variablen Düsen 73 durch Verhindern eines unsanften Drehens der mehreren variablen Düsen 73 ausreichend sicherstellen, und kann gleichzeitig die Turbineneffizienz des Turbinenladers 1 mit variablem Geometriesystem verbessern, indem der Leckagestrom des Abgases durch den düsenseitigen Zwischenraum verringert wird.
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Wie außerdem zuvor beschrieben ist, ermöglicht das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass der Stützring 49 seine Funktion als der Wärmeisolator für den Verbindungsmechanismus 81 beibehält, indem die Öffnungsfläche eines jeden ersten Einschnitts 87 und zweiten Einschnitts 91 verringert wird. Aus diesem Grund kann das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Langlebigkeit der variablen Düseneinheit 47 oder die Langlebigkeit des Turboladers 1 mit variablem Geometriesystem zufriedenstellend sicherstellen, indem die thermische Verformung des Verbindungsmechanismus 81 verhindert wird.
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(Modifikation 1)
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Als Modifikation 1 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung kann der Stützring 49, der eine bestandteilbildende Komponente der variablen Düseneinheit 47 ist, durch einen Stützring 93 ausgetauscht werden, wie er in 4(a) gezeigt ist.
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Genauer gesagt hat der Stützring 93 wie der Stützring 49 einen ringförmigen Basisabschnitt 51, einen zylindrischen Zwischenabschnitt 53 und einen ringförmigen Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) 55. Der Basisabschnitt 51 des Stützrings 93 hat drei Fügebereiche A2, die in einer Umfangsrichtung des Stützrings 93 (des Basisabschnitts 51) angeordnet sind. Die drei Fügebereiche A2 umgeben die jeweiligen Stiftlöcher 85 und sind mit der gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings 57 von dessen zugewandter Fläche in Kontakt. Einschnitte 95 sind in dem Zwischenabschnitt 53 des Stützrings 93 in der Umfangsrichtung des Stützrings 93 (des Zwischenabschnitts 53) ausgebildet. Die Einschnitte 95 befinden sich in einer Radialrichtung des Stützrings 93 außerhalb der jeweiligen Fügebereiche A2. Außerdem sind die Einschnitte 95 so konfiguriert, dass sie in der Lage sind, eine Verformung des Zwischenabschnitts 53 des Stützrings 93 relativ zu den Fügebereichen A2 zuzulassen.
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Es sollte hier angemerkt werden, dass die Verwendung des Stützrings 93 als die eine bestandteilbildende Komponente der variablen Düseneinheit 47 die gleiche Betriebsweise und die gleiche Wirkung wie das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hervorbringt.
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(Modifikation 2)
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Als Modifikation 2 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung kann der Stützring 49, der eine bestandteilbildende Komponente der variablen Düseneinheit 47 ist, durch einen Stützring 97 ausgetauscht werden, wie er in 4(b) gezeigt ist.
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Genauer gesagt hat der Stützring 97 wie der Stützring 49 einen ringförmigen Basisabschnitt 51, einen zylinderförmigen Zwischenabschnitt 53 und einen ringförmigen Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) 55. Der Basisabschnitt 51 des Stützrings 97 hat drei Fügebereiche A3, die in einer Umfangsrichtung des Stützrings 97 (des Basisabschnitts 51) angeordnet sind. Die drei Fügebereiche A3 umgeben die jeweiligen Stiftlöcher 85 und sind mit gegenüberliegenden Flächen des Düsenrings 57 von deren zugewandter Fläche in Kontakt. Erste Einschnitte 99 sind in dem Zwischenabschnitt 53 des Stützrings 97 in der Umfangsrichtung des Stützrings 97 (des Zwischenabschnitts 53) ausgebildet. Zwei zweite Einschnitte 101, 101 sind in einer Radialrichtung des Stützrings 97 außerhalb eines jeden Fügebereichs A3 in einer solchen Art ausgebildet, dass sie sich jeweils von zwei Endabschnitten des entsprechenden ersten Einschnitts 99 zu dem Basisabschnitt 51 erstrecken. Außerdem sind die ersten Einschnitte 99 und die zweiten Einschnitte 101 so konfiguriert, dass sie in der Lage sind, eine Verformung des Zwischenabschnitts 53 des Stützrings 97 relativ zu den Fügebereichen A3 zuzulassen. Die Breiten der ersten Einschnitte 99 und der zweiten Einschnitte 101 sind beliebig, solange die Breiten die Bedingungen mit Ausnahme für die ersten Einschnitte 87 und die zweiten Einschnitte 89, 91, wie in dem Fall der ersten Einschnitte 87 und der zweiten Einschnitte 89, 91, erfüllen.
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Es ist anzumerken, dass die Verwendung des Stützrings 97 als die eine bestandteilbildende Komponente der variablen Düseneinheit 47 die gleiche Betriebsweise und Wirkung wie das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hervorbringt.
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(Modifikation 3)
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Als Modifikation 3 des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung kann der Stützring 49, der eine bestandteilbildende Komponente der variablen Düseneinheit 47 ist, durch einen in 5 gezeigten Stützring 103 ersetzt werden.
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Genauer gesagt hat der Stützring 103 wie der Stützring 49 einen ringförmigen Basisabschnitt 51, einen zylindrischen Zwischenabschnitt 53 und einen ringförmigen Vorderendkantenabschnitt (Flanschabschnitt) 55. Der Basisabschnitt 51 des Stützrings 103 hat drei Fügebereiche A4, die in einer Umfangsrichtung des Stützrings 103 (des Basisabschnitts 51) angeordnet sind. Die drei Fügebereiche A4 umgeben die jeweiligen Stiftlöcher 85 und sind mit der gegenüberliegenden Fläche des Düsenrings 57 von deren zugewandter Fläche in Kontakt. Der Basisabschnitt 51 hat erste Einschnitte 105, die in dessen Teilen ausgebildet sind, die sich in einer Radialrichtung des Stützrings 103 außerhalb der jeweiligen Fügebereiche A4 befinden. Jeder erste Einschnitt 105 ist so ausgebildet, dass er sich in der Umfangsrichtung des Stützrings 103 (des Basisabschnitts 51) erstreckt. Zwei zweite Einschnitte 107 sind in einem Teil des Stützrings 103 ausgebildet, der sich in der Radialrichtung des Stützrings 103 derart außerhalb eines jeden Fügebereichs A4 befindet, dass sie sich jeweils von zwei Endabschnitten des entsprechenden ersten Einschnitts 105 zu dem Zwischenabschnitt 53 erstrecken. Außerdem sind die ersten Einschnitte 105 und die zweiten Einschnitte 107 so konfiguriert, dass sie in der Lage sind, eine Verformung des Zwischenabschnitts 53 des Stützrings 103 relativ zu den Fügebereichen A4 zuzulassen. Die Breiten der ersten Einschnitte 105 und der zweiten Einschnitte 107 sind beliebig, solange die Breiten die Bedingungen erfüllen, die für die ersten Einschnitte 87 und die zweiten Einschnitte 89, 91 wie in dem Fall der ersten Einschnitte 87 und der zweiten Einschnitte 89, 91 erwartet werden.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Verwendung des anderen Stützrings 103 als die eine bestandteilbildende Komponente der variablen Düseneinheit 47 die gleiche Betriebsweise und Wirkung wie das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hervorbringt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschränkt, was für das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, und kann in verschiedenen Arten ausgeführt werden. Außerdem ist der in der vorliegenden Erfindung enthaltene Schutzumfang nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.
