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DE102009012132A1 - Exhaust gas turbine for internal combustion engine of e.g. passenger car, has adjustable guide vane arranged in upstream of rotor blade in flow passage and rotated at point of variable cross section along longitudinal axis - Google Patents

Exhaust gas turbine for internal combustion engine of e.g. passenger car, has adjustable guide vane arranged in upstream of rotor blade in flow passage and rotated at point of variable cross section along longitudinal axis Download PDF

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DE102009012132A1
DE102009012132A1 DE102009012132A DE102009012132A DE102009012132A1 DE 102009012132 A1 DE102009012132 A1 DE 102009012132A1 DE 102009012132 A DE102009012132 A DE 102009012132A DE 102009012132 A DE102009012132 A DE 102009012132A DE 102009012132 A1 DE102009012132 A1 DE 102009012132A1
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Germany
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exhaust gas
gas turbine
vane
longitudinal axis
guide vane
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Withdrawn
Application number
DE102009012132A
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German (de)
Inventor
Thomas Dipl.-Ing. Kuhn
Nils Brinkert
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IHI Charging Systems International GmbH
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
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Abstract

The turbine (1) has an adjustable guide vane (3) arranged in upstream of a rotor blade in a flow passage (7). The guide vane defines a variable cross section when viewing along a longitudinal axis of the guide vane. The guide vane is rotatably arranged around a rotational axis (9) aligned parallel to the longitudinal axis. The guide vane is rotated at a point of the cross section along the longitudinal axis. The guide vane has a rear edge (11) with projections (13) provided at upper and lower areas of a front edge (10) when viewing along the longitudinal axis.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einer Laufschaufel und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufel, die stromaufwärts zu der Laufschaufel in einem Strömungsdurchlass angeordnet ist, wobei die Leitschaufel, entlang einer Längsachse der Leitschaufel gesehen, einen sich verändernden Querschnitt aufweist.The The invention relates to an exhaust gas turbine of an internal combustion engine for a motor vehicle, with at least one blade and with at least one adjustable vane upstream the blade is arranged in a flow passage is, wherein the vane, along a longitudinal axis of the Vane seen, a changing cross section having.

Aus dem Stand der Technik sind Turbinen mit verschiebbaren Leitschaufeln bekannt.Out The prior art turbines with sliding vanes known.

So offenbart bspw. die DE 60311008 T2 oder die EP 1353040 B1 eine Turbine mit veränderlicher Geometrie, 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 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, wobei die minimale Höhe der Leitschaufeln größer ist als die minimale Breite des Einlassdurchgangs.For example, the DE 60311008 T2 or the EP 1353040 B1 a variable geometry turbine comprising: a turbine impeller having radial vanes and supported in a housing for rotation about an axis, an annular inlet passage extending radially inwardly toward the turbine impeller, the inlet passage between an annular wall a movable wall member and an end wall of the housing is defined, wherein the movable wall member can be moved in relation to the housing to change the width of the inlet passage, an annular array of vanes extending over the inlet passage, wherein the guide vanes front and rear Edges, a width defined between the leading and trailing edges, and a height generally parallel to the axis of the turbine runner, the height varying across the width of the vanes from a maximum to a minimum, the minimum height being small r is the width of the turbine blade tips in the axial direction, with the minimum height of the vanes being greater than the minimum width of the inlet passage.

Ferner ist aus dem Stand der Technik auch ein Turbolader mit einer Einrichtung zur Regelung des Schluckvermögens der im Turbolader verbauten Turbine bekannt, siehe DE 0914648 C2 ,. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei kleinem Schluckvermögen und kleiner Motordrehzahl zu erreichen, wird der Eintrittsquerschnitt vor dem Turbinenrad verkleinert. Es wird sich diesbezüglich einer Membran bedient, welche eine Leitschaufel aufweisend in den Eintrittsquerschnitt schiebbar ausgebildet ist.Furthermore, from the prior art, a turbocharger with a device for controlling the absorption capacity of the turbine installed in the turbocharger is known, see DE 0914648 C2 . In order to achieve the highest possible efficiency with low absorption capacity and low engine speed, the inlet cross section in front of the turbine wheel is reduced. It is used in this regard a membrane, which is designed to have a guide vane sliding in the inlet cross-section.

Die derzeit verwendeten Turbinen mit verstellbaren Leitschaufeln haben jedoch immer den Nachteil, dass sie der dreidimensional ungleichförmig ausgestalteten Strömung im Einlassbereich der Turbine nicht adäquat Rechnung zollen.The currently used turbines with adjustable vanes However, there is always the disadvantage that they are three-dimensionally non-uniform configured flow in the inlet area of the turbine not pay adequate attention.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abgasturbine zur Verfügung zu stellen, die bei unterschiedlichen Lastzuständen einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweist. Es soll ferner eine Abgasturbine ohne die herkömmlichen Nachteile, allerdings bei hohem Wirkungsgrad erreicht werden.It Therefore, the object of the present invention is an exhaust gas turbine to provide that at different load conditions has a very high efficiency. It should also be an exhaust gas turbine without the conventional disadvantages, but at a high level Efficiency can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, das die Leitschaufel zusätzlich oder an Stelle des sich verändernden Querschnitts in Richtung der Längsachse in sich verdreht ausgestaltet ist.These The object is achieved according to the invention that the vane in addition to or instead of itself changing cross section in the direction of the longitudinal axis twisted in itself is designed.

Dadurch ist es möglich, die Anströmwinkel über die Turbinenradeintrittsbreite wirkungsgradoptimal zu gestalten. Die Strömungsverhältnisse des optional vorhandenen Leitgitterapparates können bei den dreidimensionalen Gegebenheiten zu einem verbesserten Wirkungsgrad führen. Eine gezielte Abstimmung des Leitgitters und der Ausgestaltung des Turbinenradeintritts über die gesamte Eintrittsbreite hinweg, kann durchgeführt werden, was dann zu einem besseren Wirkungsgrad führt. Eine solche Ausgestaltung empfiehlt sich insbesondere bei mehrflutigen Turbinen, insbesondere bei mehrflutigen Abgasturbinen. Der 3-D-Charakteristik der Strömung ist somit vermehrt Rechnung getragen. Der Wirkungsgrad erhöht sich.Thereby it is possible to overflow the angle of attack make the turbine wheel inlet width optimal in terms of efficiency. The flow conditions of the optional existing Leitgitterapparates can in the three-dimensional conditions lead to improved efficiency. A targeted Tuning of the guide grid and the design of the turbine wheel entry via the entire entrance width, can be performed which then leads to a better efficiency. Such Embodiment is particularly recommended for multi-flow turbines, especially in multi-flow exhaust gas turbines. The 3-D characteristic the flow is thus increasingly taken into account. Of the Efficiency increases.

Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.advantageous Embodiments are defined in the subclaims claimed and explained in more detail below.

Wenn die Leitschaufel in Strömungsrichtung gesehen eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, wobei die Hinterkante an einem in Längsrichtung gesehen oberen und unteren Bereich von der Vorderkante wegweisende Vorsprünge aufweist, so wird ein besserer Strömungsverlauf erreicht. Vermehrte Schallentwicklung wird vermieden.If the guide vane seen in the flow direction, a leading edge and a trailing edge, wherein the trailing edge at an in Seen longitudinally upper and lower area of the front edge has pioneering projections, so is a better flow reached. Increased sound development is avoided.

Um einen gleichmäßigen Strömungsverlauf zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Vorderkante kurvig ausgeformt ist.Around a uniform flow reach, it is advantageous if the leading edge formed curvy is.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn sich in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Querschnittsfläche entlang der Längsachse der Leitschaufel senkrecht zur Längsachse verkleinert.When it has turned out to be particularly advantageous if it is in one Another embodiment, the cross-sectional area downsized along the longitudinal axis of the vane perpendicular to the longitudinal axis.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante an einem Längsende der Leitschaufel weniger weit von der Rotationsachse der Leitschaufel entfernt ist, als an einem gegenüberliegenden Längsende.A further advantageous embodiment is characterized in that that the leading edge at one longitudinal end of the vane is less far from the axis of rotation of the vane, as at an opposite longitudinal end.

Wenn beide Längsenden der Vorderkante der Leitschaufel weniger weit von der Rotationsachse entfernt sind, als ein im mittleren Bereich der Vorderkante, so wird den im Randbereich der Strömung auftretenden Verzögerungseffekten adäquat Rechnung getragen.If both longitudinal ends of the leading edge of the vane less far away from the axis of rotation, as one in the middle Area of the leading edge, so is the occurring in the edge region of the flow Delay effects are adequately taken into account.

Um den Wirkungsgrad im Teillastbereich besonders gut beeinflussen zu können, ist es von Vorteil, wenn ein Schieber zur Strömungsregelung den Strömungsdurchlass verkleinernd bewegbar angeordnet ist.Around the efficiency in the partial load range particularly good influence can, it is advantageous if a slider for flow control the flow passage arranged to reduce movable is.

Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Schieber die Leitschaufel zumindest abschnittsweise umhüllt.Especially it is advantageous if the slider at least the vane wrapped in sections.

Um über den gesamten Umfang des Turbinenrades einen gleichmäßigen Schubverlauf zu haben, ist es von Vorteil, wenn eine Vielzahl von äquidistant zueinander angeordneten Leitschaufeln in einem Turbinengehäuse angeordnet sind.To over the entire circumference of the turbine wheel a uniform Thrust course, it is advantageous when a variety of equidistant mutually arranged vanes in a turbine housing are arranged.

Die Erfindung wird nachstehend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.The Invention will become more apparent hereinafter with the aid of a drawing explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Draufsicht auf als Leitgitter angeordnete herkömmliche Leitschaufeln und drehbar angeordnete Laufschaufeln einer herkömmlichen Turbine, 1 a top view of arranged as a guide grille conventional vanes and rotatably mounted blades of a conventional turbine,

2 eine Querschnittsdarstellung durch eine herkömmliche Turbine in einem Ausschnitt mit einer Leitschaufel, die ein konstantes Profil aufweist, 2 a cross-sectional view through a conventional turbine in a section with a vane, which has a constant profile,

3 ein Ausschnitt eines Teilquerschnitts durch eine erfindungsgemäße Turbine mit einer Leitschaufel, die ein variables Profil aufweist in einem ersten Ausführungsbeispiel, 3 3 a section of a partial cross section through a turbine according to the invention with a guide vane, which has a variable profile in a first exemplary embodiment,

4 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Abgasturbine mit einer Leitschaufel, die ein variierendes Profil aufweist und 4 a second embodiment in a partial sectional view of an exhaust gas turbine according to the invention with a vane, which has a varying profile and

5 ein drittes Ausführungsbeispiel in einer Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Abgasturbine mit einer Leitschaufel, die ein variables Profil aufweist. 5 a third embodiment in a partial sectional view of an exhaust gas turbine according to the invention with a vane having a variable profile.

Die Darstellungen sind lediglich schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Für die gleichen Elemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet.The Representations are only schematic in nature and should only serve the understanding of the invention. For the the same elements, the same reference numerals are used.

In 1 ist eine Abgasturbine 1 in einer Draufsicht dargestellt. Die Abgasturbine 1 ist Teil einer Verbrennungskraftmaschine, wie sie in Kraftfahrzeugen, etwa Pkws oder Lkws eingesetzt wird. Zur üblichen Ausgestaltung einer Turbine wird auf die DE 60311908 T2 Bezug genommen und deren diesbezüglichen Inhalte sollen als hier integriert gelten.In 1 is an exhaust gas turbine 1 shown in a plan view. The exhaust gas turbine 1 is part of an internal combustion engine, as used in motor vehicles, such as cars or trucks. The usual design of a turbine is on the DE 60311908 T2 Reference and their content should be considered as integrated here.

Die Abgasturbine weist ein Leitgitter 2 umfassend einer Vielzahl von Leitschaufeln 3 auf. Durch das Leitgitter 2 wird mittels der Leitschaufeln 3 ein Fluidstrom aus Abgasen in Richtung eines Laufschaufeln 4 umfassenden Turbinenrades 5 gelenkt. Das Turbinenrad 5 ist um eine Drehachse 6 rotierbar.The exhaust gas turbine has a guide grid 2 comprising a plurality of vanes 3 on. Through the Leitgitter 2 is by means of the vanes 3 a fluid flow of exhaust gases in the direction of a rotor blades 4 comprehensive turbine wheel 5 directed. The turbine wheel 5 is about a rotation axis 6 rotatable.

Wie auch der 2 zu entnehmen, sind die Leitschaufeln 3 in einem Strömungsdurchlass 7 angeordnet. Der Strömungsdurchlass 7 ist in einem Turbinengehäuse 8 ausgebildet. In 2 sind die Laufschaufeln 4 nicht dargestellt.As well as the 2 can be seen, are the vanes 3 in a flow passage 7 arranged. The flow passage 7 is in a turbine housing 8th educated. In 2 are the blades 4 not shown.

In 1 sind aber die Leitschaufeln 3 in zwei Positionen dargestellt, wobei die erste Position durchgezogen dargestellt ist und die zweite Position mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Diese zweite Position wird dadurch erreicht, dass die Leitschaufeln 3 parallel zu einer Längsachse, um eine Rotationsachse 9 gedreht werden. Der Strömungswinkel relativ zu den Leitschaufeln 4 verändert sich dadurch. Die einzelnen Komponenten eines Geschwindigkeitsdreieckes sind in der ersten und zweiten Position unterschiedlich.In 1 but are the vanes 3 shown in two positions, wherein the first position is shown in solid lines and the second position is shown in dashed lines. This second position is achieved in that the vanes 3 parallel to a longitudinal axis about an axis of rotation 9 to be turned around. The flow angle relative to the vanes 4 changes as a result. The individual components of a velocity triangle are different in the first and second positions.

In 2 ist die Leitschaufel 3 ungeschnitten dargestellt, es ist jedoch zu erkennen, dass über die gesamte Höhe der Leitschaufel 3, also entlang einer Längsachse der Leitschaufel 4 und somit entlang der Rotationsachse 9 sich das Profil der Leitschaufel 3 nicht verändert. Insbesondere verlaufen durchgehend die an der Leitschaufel 3 vorhandene Vorderkante 10 und die Hinterkante 11 zueinander parallel.In 2 is the vane 3 However, it can be seen that over the entire height of the vane 3 , ie along a longitudinal axis of the vane 4 and thus along the axis of rotation 9 the profile of the vane 3 not changed. In particular, continuously run on the vane 3 existing front edge 10 and the trailing edge 11 parallel to each other.

Eine Rotation um die Rotationsachse 9 der Leitschaufel 3 ist mit einem Pfeil A symbolisiert.A rotation around the axis of rotation 9 the vane 3 is symbolized by an arrow A.

In den 3 bis 5 werden erfindungsgemäße Ausführungen einer Leitschaufel 3 dargestellt. Dabei weist die erfindungsgemäße Leitschaufel 3 an der Hinterkante 11 an deren Längsenden 12 Vorsprünge 13 auf.In the 3 to 5 be inventive embodiments of a vane 3 shown. In this case, the guide vane according to the invention 3 at the rear edge 11 at the longitudinal ends 12 projections 13 on.

Die Abgase, die entlang eines Spiralgehäuses 14 auf die Vorderkante 10 der Leitschaufel 3 gelangen, werden entsprechend ihrer Geschwindigkeitsanteile mittels der asymmetrisch ausgeformten Leitschaufel 3 umgelenkt.The exhaust gases flowing along a spiral housing 14 on the front edge 10 the vane 3 are achieved according to their speed components by means of the asymmetrically shaped guide vane 3 diverted.

Zwar ist es in den 3, 4 und 5 nicht erkennbar, doch ist es möglich, die Leitschaufel 3 sich verdreht, also verwunden, auszubilden. Die unterschiedlichen Verläufe der Vorderkanten 10 der Leitschaufeln 3 sind in den 4 und 5 in zwei weiteren Ausführungsformen visualisiert.Although it is in the 3 . 4 and 5 not recognizable, but it is possible the vane 3 twisted, so wounded, trained. The different courses of the leading edges 10 the vanes 3 are in the 4 and 5 visualized in two other embodiments.

In den 3 und 4 ist zu erkennen, dass in einem mittleren Bereich 15 die Vorderkante 10 von der Rotationsachse 9 weiter entfernt ist, als im Bereich der Längsenden 12.In the 3 and 4 it can be seen that in a middle range 15 the front edge 10 from the axis of rotation 9 farther away than in the area of the longitudinal ends 12 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 60311008 T2 [0003] - DE 60311008 T2 [0003]
  • - EP 1353040 B1 [0003] - EP 1353040 B1 [0003]
  • - DE 0914648 C2 [0004] - DE 0914648 C2 [0004]
  • - DE 60311908 T2 [0026] - DE 60311908 T2 [0026]

Claims (9)

Abgasturbine (1) einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer Laufschaufel (4) und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufel (3), die stromaufwärts zu der Laufschaufel (4) in einem Strömungsdurchlass (7) angeordnet ist, wobei die Leitschaufel (3), entlang einer Längsachse der Leitschaufel (3) gesehen, einen sich verändernden Querschnitt aufweist, wobei die Leitschaufel (3) um eine parallel zur Längsachse ausgerichteten Rotationsachse (9) rotierbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (3) zusätzlich oder an Stelle des sich verändernden Querschnitts in Richtung der Längsachse in sich verdreht ausgestaltet ist.Exhaust gas turbine ( 1 ) an internal combustion engine for a motor vehicle with at least one blade ( 4 ) and with at least one adjustable guide vane ( 3 ) located upstream of the blade ( 4 ) in a flow passage ( 7 ), wherein the guide vane ( 3 ), along a longitudinal axis of the vane ( 3 ), has a changing cross-section, wherein the vane ( 3 ) about an axis of rotation aligned parallel to the longitudinal axis ( 9 ) is rotatably arranged, characterized in that the guide vane ( 3 ) in addition to or instead of the changing cross-section in the direction of the longitudinal axis is designed twisted in itself. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (3) in Strömungsrichtung gesehen eine Vorderkante (10) und eine Hinterkante (11) aufweist, wobei die Hinterkante (11) an einem in Längsachsenrichtung gesehen oberen und einem unteren Bereich von der Vorderkante (10) wegweisende Vorsprünge (13) aufweist.Exhaust gas turbine ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the guide vane ( 3 ) seen in the flow direction, a leading edge ( 10 ) and a trailing edge ( 11 ), wherein the trailing edge ( 11 ) at an upper and a lower region seen from the leading edge in the longitudinal axis direction ( 10 ) groundbreaking projections ( 13 ) having. Abgasturbine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (10) kurvig ausgeformt ist.Exhaust gas turbine ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the front edge ( 10 ) is formed curvy. Abgasturbine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang der Längsachse der Leitschaufel (3) die Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse verkleinert.Exhaust gas turbine ( 1 ) according to claim 3 or 4, characterized in that along the longitudinal axis of the guide vane ( 3 ) reduces the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (10) an einem Längsende (12) der Leitschaufel (3) weniger weit von der Rotationsachse (9) der Leitschaufel (3) entfernt ist, als an einem gegenüberliegenden Längsende (12).Exhaust gas turbine ( 1 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the leading edge ( 10 ) at one longitudinal end ( 12 ) of the vane ( 3 ) less far from the axis of rotation ( 9 ) of the vane ( 3 ) is removed than at an opposite longitudinal end ( 12 ). Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Längsenden (12) der Vorderkante (10) der Leitschaufel (3) weniger weit von der Rotationsachse (9) entfernt sind, als ein mittlerer Bereich (15) der Vorderkante (10).Exhaust gas turbine ( 1 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that both longitudinal ends ( 12 ) of the leading edge ( 10 ) of the vane ( 3 ) less far from the axis of rotation ( 9 ) are removed as a middle region ( 15 ) of the leading edge ( 10 ). Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schieber den Strömungsdurchlass (7) verkleinernd bewegbar angeordnet ist.Exhaust gas turbine ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that a slide the flow passage ( 7 ) is arranged movable downsize. Abgasturbine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber die Leitschaufel (3) zumindest abschnittsweise umhüllt.Exhaust gas turbine ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the slide the vane ( 3 ) enveloped at least in sections. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von äquidistant zueinander angeordneten Leitschaufeln (3) in einem Turbinengehäuse (8) angeordnet sind.Exhaust gas turbine ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of equidistant from each other arranged guide vanes ( 3 ) in a turbine housing ( 8th ) are arranged.
DE102009012132A 2009-03-06 2009-03-06 Exhaust gas turbine for internal combustion engine of e.g. passenger car, has adjustable guide vane arranged in upstream of rotor blade in flow passage and rotated at point of variable cross section along longitudinal axis Withdrawn DE102009012132A1 (en)

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