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Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit einem Bypasskanal, der einen Einlasskanal des Turbinengehäuses mit einem Auslasskanal des Turbinengehäuses verbindet und der mittels einer Bypassklappe verschließbar ist.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Steuern der in dem Turbinengehäuse angeordneten Bypassklappe.
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In der
US 4 404 804 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem Abgaskatalysator strömungsabwärts der Turbine des Abgasturboladers beschrieben. Die Turbine ist mittels einer Bypassleitung umgehbar, deren Wirksamkeit mittels eines Bypassventils steuerbar ist. Das Bypassventil enthält eine Bypassklappe, die mittels einer Membrandose betätigbar ist, deren einer Druckraum mit dem Saugrohr der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb einer Drosselklappe verbunden ist und deren anderer Druckraum mit dem Saugrohr strömungsunterhalb der Drosselklappe verbunden ist. In der letztgenannten Verbindung ist ein Schaltventil angeordnet, das die Verbindung schließt und die entsprechende Druckkammer mit der Atmosphäre verbindet, wenn die Temperatur des Abgaskatalysators über einem vorbestimmten Wert liegt. Mit der Anordnung wird erreicht, dass die Turbine bei unterhalb dem vorbestimmten Wert liegende Temperatur des Abgaskatalysators nicht mit Abgas beaufschlagt wird und das gesamte Abgas durch den Bypasskanal hindurch unmittelbar zum Abgaskatalysator strömt und diesen rasch aufheizt, damit seine Wirksamkeit zur Entfernung von Schadstoffen aus dem Abgas rasch einsetzt. Sobald die Temperatur des Abgaskatalysators über dem vorbestimmten Wert liegt, wird der Bypasskanal geschlossen und die Turbine mit Abgas beaufschlagt. Bei sehr hohen Ladedrücken wird der Bypasskanal auch bei über dem vorbestimmten Wert liegender Katalysatortemperatur zumindest teilweise geöffnet, so dass das Bypassventil als ein Waste-Gate-Ventil wirkt, das die Brennkraftmaschine vor unzulässig hoher Aufladung und den Abgasturbolader vor Überlastung schützt.
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Eine Eigenart der beschriebenen Anordnung liegt darin, dass der Bypasskanal verhältnismäßig lang ist und seine Abzweigung strömungsoberhalb der Turbine und seine Mündung strömungsunterhalb der Turbine in den Abgasstrang zu Strömungsverlusten durch Wirbelbildung führen. Die Strömungsverluste führen zu einer geringeren Durchströmung des Bypasskanals. Die Wirbelbildung führt zu Temperaturverlusten durch Wandbenetzung. Beide beschriebenen Effekte wirken sich nachteilig auf eine rasche Aufheizung des Abgaskatalysators aus.
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Bekannt ist, das Bypassventil und den Bypasskanal in das Turbinengehäuse eines Abgasturboladers zu integrieren, wodurch zwar ein kurzer Bypasskanal möglich ist. Die bekannten Turbinengehäuse mit integriertem Bypasskanal und integrierter Bypassklappe führen jedoch bei offenem Bypassventil zu hohen Verwirbelungen mit einem relativ hohen Durchströmwiderstand des Bypasskanals, wodurch das Turbinengehäuse stark aufgeheizt wird und die Anströmung des Abgaskatalysators sowie dessen Aufheizung nach einem Kaltstart negativ beeinflusst werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abhilfe für die vorgenannten Probleme zu schaffen.
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Eine Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit einem Turbinengehäuse gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Turbinengehäuses wird erreicht, dass in Offenstellung der Bypassklappe die Abgasströmung durch den Bypasskanal strömungsgünstig in den Abgaskanal strömungsabwärts des Turbinengehäuses geleitet wird, wodurch ein nachgeschalteter Abgaskatalysator wirksam angeströmt und für ein schnelles Einsetzen der Abgasreinigung rasch aufgeheizt wird.
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Die Unteransprüche 2 bis 8 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses gerichtet.
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Der Anspruch 9 kennzeichnet ein Verfahren zur Lösung der Erfindungsaufgabe unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses.
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Das Verfahren gemäß dem Anspruch 9 wird mit den Merkmalen des Anspruchs 10 in vorteilhafter Weise gebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Zeichnungen stellen dar:
- 1 ein Schema einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader mit schematisch dargestelltem in das Turbinengehäuse integriertem Bypasskanal mit Bypassklappe;
- 2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Turbinengehäuse bei geschlossener Bypassklappe;
- 3 die Ansicht der 2 bei geöffneter Bypassklappe; und
- 4 eine Detailansicht der 3 im Schnitt durch einen Bypasskanal.
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Gemäß 1 weist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Brennkraftmaschine im dargestellten Beispiel sechs in Reihe angeordnete Zylinder 12 auf. Ein mit den Zylindern 12 über Einzelsaugrohre verbundenes Saugrohr 14 ist über eine Drosselklappe 16 und einen Ladeluftkühler 18 mit einem Verdichter 20 verbunden, dessen Einlass über ein nicht dargestelltes Luftfilter mit der Atmosphäre verbunden ist.
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Die Auslässe der Zylinder 12 sind in an sich bekannter Weise zu zwei Gruppen zusammengefasst, deren Abgasdruckschwingungen sich möglichst wenig kompensieren. Die Auslässe der einen Gruppe (im dargestellten Beispiel die linken drei Zylinder 12) sind mit einem ersten Abgassammelrohr 22 verbunden. Die andere Gruppe ist mit einem zweiten Abgassammelrohr 24 verbunden. Die beiden Abgassammelrohre 22 und 24 sind an Einlassöffnungen eines Turbinengehäuses einer Turbine 26 eines insgesamt mit 28 bezeichneten Abgasturboladers angeschlossen, dessen Turbinenrad mittels einer Welle 29 drehfest mit dem Verdichterrad des Verdichters 20 verbunden ist. In das in 1 nicht dargestellte Turbinengehäuse der Turbine 26 ist wenigstens ein Bypasskanal 30 integriert, der mittels einer Bypassklappe 32 verschließbar ist. Im geschlossenen Zustand der Bypassklappe 32 wird das gesamte durch die Abgassammelrohre 22 und 24 strömende Abgas zum Antrieb eines Turbinenrades der Turbine 26 verwendet und tritt in eine Abgasleitung 34 aus, die durch eine Abgaskatalysatorvorrichtung 36 hindurch in die Umgebung führt. Je nach Öffnung der Bypassklappe 32 umströmt ein mehr oder weniger großer Teil des Abgases das Turbinenrad und gelangt durch den oder die Bypasskanäle 30 unmittelbar in die Abgasleitung 34.
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Die Stellung der Bypassklappe 32 wird mittels eines Aktors 38 gesteuert, der pneumatischer Bauart sein kann oder, wie im dargestellten Beispiel elektrisch ist und von einem elektronischen Steuergerät 40 angesteuert wird, dessen Eingänge mit Sensoren verbunden sind. Im dargestellten Beispiel ist ein Drucksensor 42 strömungsoberhalb der Drosselklappe 16 angeordnet. Jeweils ein Temperatursensor 44 und 46 ist am strömungsaufwärtigen Ende und am strömungsabwärtigen Ende der Abgasreinigungskatalysatorvorrichtung 36 angeordnet. Die Abgaskatalysatorvorrichtung kann mehrere Katalysatoren enthalten, z.B. einen Vorkatalysator, dem in Strömungsrichtung des Abgases ein oder mehrere, gegebenenfalls parallel zueinander angeordnete Hauptkatalysatoren nachgeordnet sind. Die Temperatursensoren können nur am Vorkatalysator angeordnet sein.
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Die Bypassklappe 32 wird, wenn die Temperatur der Abgasreinigungskatalysatorvorrichtung 36, die beispielsweise durch Mittelung der von den Sensoren 44 und 46 gelieferten Temperaturwerte ermittelt wird, unter einem vorbestimmten Wert liegt, in eine Stellung bewegt, in die das durch die Abgassammelrohre 22 und 24 strömende Abgas zumindest weitgehend unter Umgehung des Turbinenrades der Turbine 26 den oder die Bypasskanäle 30 durchströmt, so dass es unmittelbar zur Aufheizung der Katalysatorvorrichtung 36 dient. Sobald die Temperatur der Katalysatorvorrichtung 36 einen vorbestimmten Wert überschritten hat, wird die Bypassklappe 32 in eine den Bypasskanal 30 oder die Bypasskanäle zumindest weitgehend schließende Stellung bewegt, so dass die Energie des Abgases genutzt wird, um der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluft im Verdichter 20 zu verdichten. Um die Brennkraftmaschine 10 und den Abgasturbolader 28 vor Überlastung zu schützen wird die Bypassklappe 32 bei steigendem Ladedruck (von dem Drucksensor 42 erfasst) mehr oder weniger weit geöffnet, so dass ein mehr oder weniger großer Teil des Abgases unmittelbar durch den oder die Bypasskanäle in die Abgasleitung 34 strömt und der Ladedruck entsprechend in dem Steuergerät 40 gespeicherten Kennfeldern geregelt wird.
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2 zeigt Details der Turbine 26. Das Turbinengehäuse 50 der Turbine 26 (1) weist eine erste Abgaseinlassöffnung 52 auf, an die eines der Abgassammelrohre 22 oder 24 anschließbar ist. An eine zweite Abgaseinlassöffnung 54 ist das andere der Abgassammelrohre anschließbar. Die Abgaseinlassöffnungen 52 bzw. 54 sind über in 2 nicht sichtbare Einlasskanäle mit einem Turbinenraum des Turbinengehäuses 50 verbunden, dessen Außenumfang kreiszylindrisch ist und der in an sich bekannter Weise ein Turbinenrad 58 aufnimmt, das um eine in 2 etwa waagerechte Drehachse drehbar ist und drehfest mit der Welle 29 verbunden ist. An der von der Welle abgewandten Seite mündet eine axiale Öffnung des Turbinenraums 56 in einen Auslasskanal 60 der Turbinengehäuses 50, der in einer Auslassöffnung 62 endet, an die die Abgasleitung 34 anschließbar ist.
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Jeder der in 2 nicht sichtbaren Einlasskanäle endet zum Turbinenraum 58 hin in an sich bekannter Weise in einer Einlassschnecke 64 bzw. 66, die längs eines Umfangsbereichs des Turbinenraums 56 in diesen mündet und deren Querschnitt in Strömungsrichtung des Abgases abnimmt.
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Von jedem der in 2 nicht sichtbaren Einlasskanäle zweigt ein in 2 ebenfalls nicht sichtbarer Bypasskanal ab, der in den Auslasskanal 60 mündet. Die Mündungen der Bypasskanäle in den Auslasskanal 60 sind in 2 von einer Bypassklappe 68 verschlossen, die schwenkbar an oder in der Wand des Turbinengehäuses 50 gelagert ist und im dargestellten Beispiel mittels eines Hebelgestänges 70 betätigbar ist, das an den Aktor 38 (1) anschließbar ist. Mit 72 ist eine in den Auslasskanal 60 einragende λ-Sonde bezeichnet.
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3 zeigt die Anordnung der 2 bei geöffneter Bypassklappe 68. In 3 deutlich sichtbar sind die nebeneinander angeordneten Mündungen 74 und 76 der im Übrigen nicht sichtbaren Bypasskanäle. Die Mündungen 74 und 76 sind nebeneinander vorteilhafterweise derart angeordnet, dass ihre Öffnungen von der einzigen Bypassklappe 68 gleichzeitig verschlossen werden können. Jeder der Bypasskanäle geht von der zugehörigen Einlasskanal in einen Bereich strömungsoberhalb des Beginns der entsprechenden Einlassschnecke oder erst vom Bereich der Einlassschnecke selbst ab.
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Wie in 3 deutlich sichtbar, sind die Mündungen 74 und 76 in einem sich strömungsabwärts des Auslasses der Turbine erweiternde Bereich des Auslasskanals 60 vorteilhaft derart angeordnet, dass aus den Bypasskanälen ausströmendes Abgas mit einer deutlichen Komponente in axialer Richtung des Auslasskanals 60 ausströmt bzw. dass die axiale Richtung der Mündungsbereiche der Bypasskanäle mit der axialen Richtung des Auslasskanals 60 einen Winkel α ( 4) von weniger als 30° bevorzugt weniger als 20°, noch bevorzugter weniger als 10° bildet.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich, kann die Bypassklappe 68 aus der Schließstellung (2) heraus vorteilhaft in ihre am weitesten geöffnete Stellung derart verschwenkt werden, dass sie in Richtung der Strömung durch den Auslasskanal geneigt ist. Dabei wird sie von dem aus den Mündungen 74 und 76 austretenden Abgas umströmt, so dass das Abgas, ohne hohe Strömungswiderstand oder starke Verwirbelung durch den Auslasskanal 60 abströmt.
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4 zeigt die Anordnung der 3 im Schnitt durch die Wandung eines in der Mündung 72 endenden Bypasskanals 74, der von dem Einlasskanal ausgeht, der die zweite Abgaseinlassöffnung 54 mit dem Turbinenraum 56 verbindet und in der Einlassschnecke 66 endet.
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Wie in 4 angedeutet wird, geht der Bypasskanal 78 von dem Einlauf des Einlasskanals in seine Schnecke aus. Der Innenraum des Einlasskanals ist mit 80 bezeichnet, der Übergang vom Innenraum 80 in den Bypasskanal 78 ist strömungsgünstig gestaltet. Der Winkel α zwischen der Längsrichtung des Bypasskanals 78 bzw. dessen axialer Richtung im Bereich strömungsoberhalb der Mündung 76 (in 4 einfach gepunktete, gestrichelte Linie) mit der axialen Richtung des Auslasskanals 60 beträgt, wie vorstehend bereits erläutert, vorteilhaft weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20°, noch bevorzugter weniger als 10°. Die Bypassklappe 68 kann aus ihrer Schließstellung (2) mindestens so weit in ihre Offenstellung verschwenkt werden, dass eine zur Schwenkachse der Bypassklappe senkrechte Linie (in 4 dreifach gepunktet) durch die der Mündung des Bypasskanals zugewandte Fläche der Bypassklappe mit der axialen Richtung des Auslasskanals einen zur Mündung der Bypasskanals hin offenen Winkel β < 90° bildet. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Abgas mit geringem Strömungswiderstand durch den Auslasskanal 60 strömt. Der Winkel, um den die Bypassklappe 68 aus ihrer Schließstellung in die Öffnungsstellung verschwenkt werden kann, ist vorteilhaft größer 35°, bevorzugt größer 40° und noch bevorzugter größer 45°.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich, ist der Strömungsquerschnitt des Bypasskanals 78 vorteilhaft durchgehend größer als der Austrittsquerschnitt der entsprechenden Einlassschnecke 66 in den Turbinenraum 56. Damit und durch den großen Öffnungswinkel der Bypassklappe ist sichergestellt, dass bei offener Bypassklappe im Wesentlichen die gesamte Abgasströmung unter Umgehung der Turbine direkt durch die Katalysatorvorrichtung strömt.
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Mit der strömungsgünstigen Ausbildung des Übergangs vom Einlasskanal in den Bypasskanal und die Ausbildung des Bypasskanals mit genügend großem Querschnitt sowie die ausreichend große Verschwenkbarkeit der Bypassklappe 68 wird erreicht, dass in Offenstellung der Bypassklappe 68 im Wesentlichen das gesamte durch die Abgassammelrohre 22 und 24 (1) strömende Abgas unter Umgehung des Turbinenrades direkt durch die Bypasskanäle in den Auslasskanal 60 strömt, so dass ein strömungsabwärts der Auslassöffnung 62 angeordneter Abgaskatalysator wirksam angeströmt und, beispielsweise in der Startphase der Brennkraftmaschine, rasch aufgeheizt wird.
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Bei unter einem vorbestimmten Wert liegender Temperatur des Abgaskatalysators wird die Bypassklappe 68 in ihre Offenstellung verschwenkt. Sobald der Abgasreinigungskatalysator 36 eine vorbestimmte Temperatur überschritten hat, wird die Bypassklappe 68 aus ihrer Offenstellung in Richtung Schließstellung verschwenkt und von dem elektronischen Steuergerät 40 derart angesteuert, dass sie abhängig von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und/oder dem vom Drucksensor 42 erfassten Ladedruck innerhalb eines Betriebsbereiches verschwenkt wird, in dem der Schwenkwinkel vorteilhafterweise kleiner ist als der der Offenstellung der Bypassklappe entsprechende Schwenkwinkel. Auf diese Weise kann der die Turbine antreibende Abgasstrom zuverlässig und rasch derart gesteuert oder geregelt werden, dass ein vorbestimmter Ladedruck erreicht wird. Wenn der Abgaskatalysator auf Betriebstemperatur ist, wird die Bypassklappe beispielsweise zur Ladedruckregelung lediglich innerhalb eines Schwenkwinkelbereiches von 0° bis 15° aus der Offenstellung verschwenkt.
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Die gesamte Anordnung ist vorteilhafterweise derart, dass das Turbinengehäuse möglichst nah am Auslass der Brennkraftmaschine ist, d.h. die Abgassammelrohre 22 und 24 möglichst kurz sind und die Abgasreinigungskatalysatorvorrichtung 36, möglichst nahe an dem Turbinengehäuse 50 angeordnet ist, so dass die Abgasleitung 34 kurz ist. Durch die Integration des oder der Bypasskanäle in das Turbinengehäuse werden auch hier sehr kurze Leitungswege mit geringem Strömungswiderstand erreicht, so dass der Katalysator rasch und wirksam vom Abgas aufgeheizt werden kann.
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Durch die getrennte Führung des Abgases aus den verschiedenen Zylindergruppen bis in die Mündungen der Einlassschnecken in den Turbinenraum bzw. der Bypasskanäle in den Auslasskanal wird ein Übersprechen der Abgase der einen Zylindergruppe mit den Abgasen der anderen Zylindergruppe, d.h. eine druckseitige Wechselwirkung weitgehend unterdrückt.
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Die beschriebene Vorrichtung kann vielfältig abgeändert werden.
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Das elektronische Steuergerät 40 kann mit Sensoren zur Erfassung weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine sowie von Betriebsparametern eines Getriebes verbunden sein. Das Abgassystem der Brennkraftmaschine muss nicht notweniger Weise zweiflutig ausgebildet sein, so dass in das Turbinengehäuse lediglich ein Bypasskanal integriert ist. Der Drucksensor 42 kann strömungsoberhalb des Ladeluftkühlers 18 angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine kann sowohl bezüglich ihrer Zylinderzahl als auch bezüglich ihrer Betriebsweise unterschiedlich aufgebaut sein, beispielsweise als Zweitakter, Viertakter, Ottomotor, Dieselmotor, Gasmotor usw.
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Zusammenfassend ermöglicht die beispielhaft beschriebene Konstruktion, dass das durch die Bypassklappe und den oder die Bypasskanäle gebildete Bypassventil (Waste Gate) nicht nur den Abgasturbolader und die Brennkraftmaschine vor Überlastung schützt, sondern zusätzlich ein rasches Aufheizen der Katalysatorvorrichtung ermöglicht. Die Integration des oder der Bypasskanäle in das Turbinengehäuse ermöglicht eine Abstimmung von deren Lage, Größe und Anbindung an den oder die Einlasskanäle bzw. Einlassschnecken derart, dass eine optimale Anströmung der Katalysatorvorrichtung, insbesondere falls vorhanden, eines Vorkatalysators erzielt wird. Die Bypassklappe kann dabei soweit geöffnet werden, dass das Abgas ohne hohe Strömungsverluste und ohne starke Verwirbelungen zur Katalysatorvorrichtung strömt. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist für Turbinen mit einer oder mehreren Einlassschnecken einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Zylinder
- 14
- Saugrohr
- 16
- Drosselklappe
- 18
- Ladeluftkühler
- 20
- Verdichter
- 22
- erstes Abgassammelrohr
- 24
- zweites Abgassammelrohr
- 26
- Turbine
- 28
- Abgasturbolader
- 29
- Welle
- 30
- Bypasskanal
- 32
- Bypassklappe
- 34
- Abgasleitung
- 36
- Abgasreinigungskatalysatorvorrichtung
- 38
- Aktor
- 40
- elektronisches Steuergerät
- 42
- Drucksensor
- 50
- Turbinengehäuse
- 52
- erste Abgaseinlassöffnung
- 54
- zweite Abgaseinlassöffnung
- 56
- Turbinenraum
- 58
- Turbinenrad
- 60
- Auslasskanal
- 62
- Auslassöffnung
- 64
- Einlassschnecke
- 66
- Einlassschnecke
- 68
- Bypassklappe
- 70
- Hebelgestänge
- 72
- λ-Sonde
- 74
- Mündung
- 76
- Mündung
- 78
- Bypasskanal
- 80
- Innenraum
