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Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge nutzen zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades Bauteile, die geeignet sind, angesaugte Außenluft zu verdichten und als vorverdichtete Luft für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck werden verschiedene, als Aufladesystem bezeichnete Maschinen genutzt. Aufladesysteme, die gasdynamische Prozesse in geschlossenen Gaskanälen erzeugen und zur Aufladung nutzen, werden im Allgemeinen als Druckwellenlader oder Druckwellenmaschinen bezeichnet. Der Wirkungsgrad dieser Druckwellenmaschinen wird unter anderem bestimmt durch die herstellbaren Toleranzen/Spaltarten zwischen den rotierenden und feststehenden Bauteilen. Zu den rotierenden Bauteilen gehört der Rotor. Die feststehenden Bauteile sind das Rotorgehäuse und die zur Zu- und Ableitung von Gasen an den Enden des Rotorgehäuses angeordneten Heißgas- sowie Kaltgasgehäuse.
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Die Leistungsfähigkeit einer Druckwellenmaschine hängt stark von den stirnseitigen Spalten zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ab. In der
DE 1 428 029 soll das Problem gelöst werden, auf konstruktiv einfache Weise die Länge des Läufers und des Gehäuses um den gleichen Betrag zu ändern oder eine Längenänderung überhaupt zu verhindern. Hierzu werden Mittel zur Einhaltung einer zumindest annähernd konstanten Länge des Läufers und des Gehäuse-Mittelteils bei jedem Betriebszustand und unabhängig von der Temperatur der Medien vorgeschlagen, wodurch das Axialspiel zwischen dem Läufer und den Seitenteilen des Gehäuses annähernd konstant bleiben soll. Konkret handelt es sich um Bimetalle oder auch um einen Faltenbalg. Der äußere Faltenbalg des Gehäuses kann aber nur dann Dehnungen ausgleichen, wenn er weich genug ausgelegt ist. Daher sind noch zusätzlich stützende Stäbe zwischen dem Kaltgasgehäuse und dem Heißgasgehäuse vorgesehen. Zudem bestehen Bedenken, dass ein mit Überlappungen ausgeführter Rotor die notwendige Dauerhaltbarkeit besitzt, da er im Betrieb hohen Fliehkräften unterliegt.
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In der
DE 1 052 626 A wird eine Druckwellenmaschine beschrieben, die eine Steuerscheibe aufweist. Die Steuerscheibe regelt auf der Kaltgasseite den Zufluss von Kaltgas, offenbart jedoch keine Möglichkeit, das axial notwendige Spiel auszugleichen. Wenn kein Spielausgleich vorgesehen ist, müssen relativ große Toleranzen zwischen den rotierenden und feststehenden Bauteilen vorgesehen werden. Dies führt dazu, dass hohe Luftmassenströme zwischen der Steuerscheibe und dem Gehäuse bzw. dem Rotor von der Ansaug- zur Druckseite abfließen und somit für die Aufladung des Verbrennungsmotors nicht zur Verfügung stehen.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, Spaltmaßtoleranzen zwischen dem Rotor und dem Kaltgasgehäuse zu minimieren, um unerwünschte Luftmassenströme von der Ansaug- zur Druckseite bei allen Betriebstemperaturen so gering wie möglich zu halten.
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Diese Aufgabe ist bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Druckwellenmaschine zur Verdichtung von Ladeluft einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Rotorgehäuse, in welchem in bekannter Weise ein Zellen aufweisender Rotor angeordnet ist. Die Druckwellenmaschine umfasst an einem Ende des Rotorgehäuses ein Kaltgasgehäuse, durch welches Ansaugluft und/oder verdichtete Luft strömen. Am anderen Ende der Druckwellenmaschine ist ein Heißgasgehäuse angeordnet, durch welches Abgas der Verbrennungskraftmaschine geführt wird. Im Kaltgasgehäuse der Druckwellenmaschine ist eine Steuerscheibe angeordnet. Die Steuerscheibe stützt sich über ein Axiallager gegenüber dem Rotor ab. Der Rotor stützt sich wiederum gegenüber dem Heißgasgehäuse unter Eingliederung eines axialen Anschlagelements ab. Schließlich ist ein Federelement vorgesehen, welches sich an dem Rotorgehäuse abstützt und die sich an dem Rotor abstützende Steuerscheibe axial in Richtung des Rotors drängt. Mit anderen Worten bewirkt das Federelement, dass die Steuerscheibe in allen Betriebszuständen, d. h. bei allen Betriebstemperaturen, gegen den Rotor gepresst wird.
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Da die Steuerscheibe mit Ausnahme der in Umfangsrichtung wirkenden Verstellbewegung ein quasi feststehendes Bauteil gegenüber dem Rotor ist, ist ein Axiallager notwendig, um die Relativbewegungen zwischen Rotor und Steuerscheibe auszugleichen. Das Axiallager legt den Abstand zwischen dem Rotor und der Steuerscheibe fest, die unter Ausbildung eines Spaltes den stirnseitigen Abschluss des Rotors bildet. Dieser Abstand vergrößert sich nur minimal, da das Axiallager eine relativ geringe, sich in Axialrichtung erstreckende Baulänge besitzt. Jedenfalls ist die Baulänge des Axiallagers und damit die thermisch bedingte Dehnung in Axialrichtung wesentlich geringer als die des Rotors, so dass die durch Dehnung des Axiallagers verursachten minimalen Veränderungen des Spaltmaßes auch bei hohen Temperaturen unerheblich sind. Es kann daher vereinfachend davon ausgegangen werden, dass bei allen Betriebstemperaturen ein gleich bleibender Abstand zwischen Rotor und Steuerscheibe besteht, so dass bei gleichen Druckverhältnissen ein gleich bleibender, möglichst geringer Massenstrom zwischen der Steuerscheibe und dem Rotor von der Ansaug- zur Druckseite abfließen kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung findet natürlich auch eine Längendehnung des Rotors statt, wobei sich allerdings nicht das Spaltmaß zwischen dem Rotor und der Steuerscheibe ändert, sondern zwischen der Steuerscheibe und dem Rotorgehäuse bzw. dem Kaltgasgehäuse. Dadurch werden sowohl thermisch induzierte Spalte als auch alle auftretenden Verbautoleranzen in einen Bereich verlagert, der außerhalb des Spaltes zwischen der Steuerscheibe und dem Rotor liegt.
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Theoretisch ist es möglich, dass das Federelement, welches die Steuerscheibe in Richtung des Rotors drückt, gleichzeitig eine Dichtfunktion erfüllt, damit bei einem größeren Spalt keine Leckagestrom von der Ansaug- zur Druckseite im Kaltgasgehäuse auftreten kann. Vorzugsweise ist jedoch zwischen dem Federelement und der Steuerscheibe wenigstens ein Dichtkörper angeordnet. Diese funktionale Trennung zwischen dem Federelement und dem Dichtkörper ermöglicht den Einsatz kleinerer und leichterer Federelement mit besonderen Federeigenschaften und zudem den Einsatz von temperaturbeständigen Dichtkörpern, die keinerlei federnde Eigenschaften aufweisen müssen. Durch diese Dichtkörper wird der sich verändernde Spalt zwischen der Steuerscheibe und dem Kaltgasgehäuse überbrückt, um die Leckageströme, wie vorstehend erläutert, zu minimieren. Zur Lageorientierung der Dichtkörper können diese in Führungsnuten gelagert sein, um eine ausschließliche axiale Verlagerung der Dichtkörper zu gewährleisten. Da eine Dichtwirkung gegenüber der Steuerscheibe nur erreicht werden kann, wenn ein flächiger Kontakt zwischen dem Dichtkörper und der Steuerscheibe besteht, kommt es zu gewissen Reibungskräften, die den in Umfangsrichtung wirkenden Verstellkräften der Steuerscheibe entgegenwirken. Damit sich durch die Haft- oder Gleitreibung die Position der Dichtkörper nicht verändert, werden diese in Führungsnuten gehalten, so dass keine Verlagerung in Radialrichtung, sondern ausschließlich in Axialrichtung erfolgt.
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Vorzugsweise ist jeder Öffnung der Steuerscheibe ein einziger Dichtkörper zugeordnet. Ein solcher Dichtkörper befindet sich jeweils zwischen zwei benachbarten Öffnungen, vorzugsweise im unmittelbaren Randbereich der betreffenden Öffnung. Mit anderen Worten ist nur an einem Rand der jeweiligen Öffnung ein Dichtkörper angeordnet.
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Ein Dichtkörper in diesem Sinne kann durchaus ein mehrteiliges Bauteil sein. Es kommt lediglich darauf an, dass der Dichtkörper als Einheit in einem bestimmten Bereich seine Dichtfunktion erfüllt. Somit ist eine Dichtung nur an einem Randbereich der Öffnung ausreichend, um den Erfindungsgegenstand zu realisieren.
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Die Dichtkörper können insbesondere als sich in Radialrichtung erstreckende Leisten ausgebildet sein. Hierbei handelt es sich um einfach zu installierende, leichte und sich nicht negativ auf das Gesamtgewicht der Druckwellenmaschine auswirkende Bauteile. Durch die leistenartige Konfiguration ist der Kontakt mit den Steuerscheiben gering. Insofern sind auch die Reibungskräfte zwischen der Steuerscheibe und den Dichtleisten gering.
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Die Spaltbreite zwischen der Steuerscheibe und dem Rotor soll möglichst nicht über den Umfang variieren, sondern vorzugsweise überall möglichst klein sein. Daher ist es zweckmäßig, die federbelasteten Dichtkörper diametral anzuordnen, damit es zu keiner Verkippung der Steuerscheibe gegenüber dem Rotor kommt.
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Die Dichtkörper sollten vorzugsweise so angeordnet werden, dass sie außerhalb der Querschnittsflächen der Öffnungen der Steuerscheibe sind, und zwar unabhängig von der Verstellposition der Steuerscheibe. Der Verstellbereich der Steuerscheibe erstreckt sich zumeist nur über wenige Grad.
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Wenn die Steuerscheibe beispielsweise nur um 5 Grad bis 10 Grad verlagert wird, befindet sich der Dichtkörper bei maximaler Auslenkung auch nur in einem Abstand von 5 Grad bis 10 Grad zur Öffnung der Steuerscheibe. Vorzugsweise befindet sich der Dichtkörper immer möglichst nah an der Öffnung der Steuerscheibe.
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Bei der erfindungsgemäßen Konfiguration wird der Rotor über die Steuerscheibe und das zwischengelagerte Axiallager in Richtung zur Heißgasseite gedrängt. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Rotor und dem Heißgasgehäuse ein axiales Anschlagelement angeordnet. Das axiale Anschlagelement ist möglichst zentral angeordnet und befindet sich vorzugsweise im Bereich der Rotornabe des Rotors. Es kann sowohl an dem Heißgasgehäuse als auch an der Rotornabe befestigt sein. Bevorzugt wird die Befestigung an der Rotornabe. Bei dem Anschlagelement handelt es sich insbesondere um einen Gleitkörper, welcher in seiner Funktion als Gleitlager vorzugsweise in Punktberührung mit dem Heißgasgehäuse steht. Die Reibungskräfte zwischen dem Anschlagelement und dem Heißgasgehäuse sind dadurch minimal. Dennoch unterliegt das axiale Anschlagelement aufgrund seiner Anordnung im Heißgasbereich sehr hohen thermischen Belastungen. Es besteht daher vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff. Es ist auch möglich, als axiales Anschlagelement ein Wälzlager vorzusehen.
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Auf der Heißgasseite ist theoretisch keine weitere radiale Lagerung des Rotors erforderlich. Dieser kann dementsprechend nur an dem Kaltgasgehäuse über ein Radiallager gelagert sein.
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Montagetechnisch ist es von Vorteil, wenn eine Rotornabe mit einer mit Kaltgasgehäuse radial gelagerten Lagerwelle gefügt, insbesondere verschraubt ist. Diese Lagerwelle muss aufgrund der Verlagerbarkeit des Rotors axiale Dehnungen ausgleichen können und dementsprechend ebenfalls in Axialrichtung verlagerbar sein. Zu diesem Zweck besitzt die Lagerwelle einen umlaufenden Ring, an welchen sich einerseits das Axiallager abstützt und andererseits, d. h. auf der in Axialrichtung dem Heißgasgehäuse zugewandten Seite die Rotornabe abstützt. Die Rotornabe wird also vorzugsweise über eine Schraubverbindung gegen diesen umlaufenden Ring verspannt, auf welchem von der anderen Seite das Axiallager drückt, welches von der Steuerscheibe, den Dichtkörpern und den Federelementen in Position gehalten wird. Es erfolgt also eine vollkommene Entkopplung von radialer und axialer Lagerung des Rotors, wobei die radiale Lagerung aus thermischen Gründen auf der Kaltgasseite erfolgt und auf der Heißgasseite ein hochtemperaturbeständiges und damit im Hinblick auf den Rotor wärmeabschirmendes Gleitstück, insbesondere aus einem keramischen Werkstück, zum Einsatz kommt.
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Es ist von Vorteil, wenn die Steuerscheibe zumindest in den Bereichen, in denen sie gelagert ist, mit einer Beschichtung versehen ist. Diese Beschichtung dient zum Korrosionsschutz, insbesondere aber auch zur Reduzierung der Reibung der Steuerscheibe mit angrenzenden Bauteilen. Dadurch werden geringere Stellkräfte notwendig, was sich positiv auf die notwendige Aktuatorik auswirkt und die Trägheit des Verstellsystems reduziert. Durch die geringeren Stellkräfte ist es ausreichend, wenn ein kleinerer, elektrisch angetriebener Aktuator eingesetzt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Druckwellenmaschine im Längsschnitt und
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2 eine stirnseitige Draufsicht auf die Steuerscheibe der Druckwellenmaschine der 1.
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1 zeigt eine Druckwellenmaschine 1 in stark vereinfachter Darstellung. Die Druckwellenmaschine 1 besitzt ein Rotorgehäuse 2, in welchem ein Zellen 3 aufweisender Rotor 4 angeordnet ist. Das Rotorgehäuse 2 gliedert sich in einen den Rotor 4 umgebenden Mittelteil sowie ein Kaltgasgehäuse 5, das sich in der Bildebene links befindet, und ein Heißgasgehäuse 6, das sich in der Bildebene rechts befindet. Die drei Gehäuseabschnitte sind über Flansche in nicht näher dargestellter Weise miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschraubt.
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Entsprechend der Funktionsweise einer gasdynamischen Druckwellenmaschine ist eine Hochdruckabgasleitung 7 vorgesehen, über welche Abgas aus einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine dem Heißgasgehäuse 6 zuströmt. Das heiße Abgas tritt in die Zellen 3 des Rotors 4 ein und komprimiert dort die über die Ansaugleitung 9 angesaugte kalte Luft. Die Luftmenge wird über eine Drosselklappe 10 in der Ansaugleitung 9 gesteuert. Die Hochdruckladeluftleitung 11, die ebenfalls an das Kaltgasgehäuse 5 angeschlossen ist, führt die Ladeluft dem Verbrennungsmotor zu.
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Nach dem Verdichten der Ladeluft tritt das Abgas wieder aus dem Rotor 4 aus und wird über das Heißgasgehäuse 6 einer Niederdruckabgasleitung 12 zugeführt. Ein waste-gate (13) im Heißgasgehäuse 6 kann das Abgas auch teilweise oder vollständig an dem Rotor 4 vorbei unmittelbar in die Niederdruckabgasleitung 12 leiten.
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Wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Druckwellenmaschine ist eine Steuerscheibe 14, die sich im Kaltgasgehäuse 5 befindet. Die Steuerscheibe 14 ist in vergrößerter Darstellung einer Stirnansicht in 2 dargestellt. Die Steuerscheibe 14 kann über einen mit A gekennzeichneten Verstellbereich verstellt werden. Die aus der Verstellung resultierende Steuerkantenverschiebung ermöglicht unterschiedliche Füllgrade und somit unterschiedliche Betriebszustände der Druckwellenmaschine 1. Die Steuerscheibe 14 besitzt hierzu mehrere Öffnungen 25, 26, durch welche Luft entweder angesaugt wird (Öffnung 25) oder in die Hochdruckladeluftleitung 11 abgegeben wird (Öffnung 26).
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In 1 ist zu erkennen, dass die Steuerscheibe 14 in einem Hohlzapfen des Kaltgasgehäuses 5 gelagert ist und sich an einem Axiallager 15 abstützt. Dieses Axiallager 15 stützt sich wiederum an einem umlaufenden Ring 16 einer Lagerwelle 17 ab, die einerseits das Kaltgasgehäuse 5 durchsetzt und sich andererseits in den Rotor 4 erstreckt.
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Der Rotor 4 besitzt eine zentrale Rotornabe 18, die über eine Schraube 19 mit der Lagerwelle 17 verschraubt ist, wobei die Lagerwelle 17 über ein im Kaltgasgehäuse 5 angeordnetes Radiallager 8 gelagert ist. Über die Lagerwelle 17 kann der Rotor 4 in bestimmten Betriebszuständen angetrieben werden. Hierzu kann in nicht näher dargestellter Weise ein insbesondere elektrischer Antrieb außerhalb des Kaltgasgehäuses 5 vorgesehen sein. In jedem Fall ist die Rotornabe 18 verdrehfest mit der Lagerwelle 17 verbunden.
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Die Vorspannung des Axiallagers 15 ergibt sich dadurch, dass die Steuerscheibe 14 in Axialrichtung verlagerbar ist und durch ein Federelement 20 in Richtung der Heißgasseite und somit in Richtung des Axiallagers 15 gedrängt wird. Das Federelement 20 wirkt auf einen Dichtkörper 21, der wiederum an der Steuerscheibe 14 anliegt. Mehrere dieser leistenförmigen Dichtelemente erstrecken sich in Radialrichtung und zwar außerhalb der Querschnittsfläche der Öffnungen 25, 26 in der Steuerscheibe 14 (2). Sie erstrecken sich von dem inneren Bereich der Steuerscheibe 14 bis zum radial äußeren Bereich der Steuerscheibe 14, d. h. bis zum Kaltgasgehäuse 5, damit kein Kaltgas von einer Öffnung zu einer benachbarten Öffnung übertreten kann. Daher befindet sich zwischen zwei benachbarten Öffnungen 25, 26 immer ein Dichtelement 21. Die Dichtelemente 21 sind diametral angeordnet, um ein Verkippen der Steuerscheibe 14 gegenüber dem Rotor 4 zu verhindern. Wesentlich ist, dass der zwischen Rotor 4 und Steuerscheibe 14 zwangsläufig vorhandene Spalt 22 so klein wie möglich ist, um Leckageströme zu minimieren.
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In 1 ist zu erkennen, dass jedem Dichtelement 21 mehrere Federelemente 20 zugeordnet sein können. Die Dichtelemente 21 sind ausschließlich in Axialrichtung verlagerbar und folgen nicht der Verstellbewegung der Steuerscheibe 14. Sie sind somit ortsfest innerhalb des Kaltgasgehäuses 5 montiert und werden in nicht näher dargestellten Nuten geführt.
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Die in Axialrichtung wirkenden Federelemente 20, die sich einerseits an den Dichtelementen 21 und andererseits an einer Radialwand des Kaltgasgehäuses 5 abstützen, bewirken, dass der Rotor 4 immer nach rechts, d. h. in Richtung zur Heißgasseite, gedrängt wird. Um die dadurch auftretenden Kräfte aufzunehmen, befindet sich an der Rotornabe 18 ein Anschlagelement 23, das in gleitender Punktberührung mit einem zentral angeordneten Widerlager 24 des Heißgasgehäuses 6 steht. Das Anschlagelement 23 ist im Querschnitt bogenförmig gekrümmt und in eine Vertiefung der Rotornabe 18 eingesetzt, so dass das Innere der Rotornabe 18, in welcher sich die Schraube 19 befindet, in gewissem Umfang thermisch isoliert wird. Bei dem Anschlagelement 23 handelt es sich um ein hochtemperaturbeständiges Material.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckwellenmaschine
- 2
- Rotorgehäuse
- 3
- Zeile
- 4
- Rotor
- 5
- Kaltgasgehäuse
- 6
- Heißgasgehäuse
- 7
- Hochdruckabgasleitung
- 8
- Radiallager
- 9
- Ansaugleitung
- 10
- Drosselklappe
- 11
- Hochdruckladeluftleitung
- 12
- Niederdruckabgasleitung
- 13
- waste-gate
- 14
- Steuerscheibe
- 15
- Axiallager
- 16
- Ring
- 17
- Lagerwelle
- 18
- Rotornabe
- 19
- Schraube
- 20
- Federelement
- 21
- Dichtkörper
- 22
- Spalt
- 23
- Anschlagelement
- 24
- Widerlager
- 25
- Öffnung
- 26
- Öffnung
- A
- Verstellbereich
