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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines luftspaltisolierten Abgasführungselements an einem weiteren Abgasführungselement, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Verbindungsanordnungen von luftspaltisolierten Abgasführungselementen an weiteren Abgasführungselementen von Verbrennungskraftmaschine sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Bei dem luftspaltisolierten Abgasführungselement handelt es sich beispielsweise um einen luftspaltisolierten Abgaskrümmer, welcher auch als LSI-Krümmer bezeichnet wird. Das luftspaltisolierte Abgasführungselement dient ebenso wie das weitere Abgasführungselement zum Führen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abgasführungselemente von dem Abgas durchströmbar sind. Das luftspaltisolierte Abgasführungselement weist wenigstens ein Innenrohr und wenigstens ein Außenrohr auf, welches das Innenrohr unter Ausbildung eines Luftspalts zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr außenumfangsseitig umgibt. Durch die Bildung des Luftspalts zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ist das Abgasführungselement beziehungsweise das Innenrohr durch den Luftspalt isoliert, sodass Wärmeverluste des das luftspaltisolierte Abgasführungselement durchströmenden Abgases gering gehalten werden können.
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Im Rahmen der Verbindungsanordnung ist das luftspaltisolierte Abgasführungselement mit dem weiteren Abgasführungselement fluidisch verbunden, sodass das das luftspaltisolierte Abgasführungselement durchströmende Abgas aus dem luftspaltisolierten Abgasführungselement aus- und in das weitere Abgasführungselement einströmen kann.
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Bei dem weiteren Abgasführungselement handelt es sich beispielsweise um ein Turbinengehäuse für eine Turbine eines Abgasturboladers. Üblicherweise ist in dem Turbinengehäuse ein Turbinenrad des Abgasturboladers beziehungsweise der Turbine angeordnet, wobei das Abgas mittels des Turbinengehäuses zu dem Turbinenrad geleitet wird. Dadurch kann das Turbinenrad von dem Abgas angetrieben werden. Dadurch, dass mittels des luftspaltisolierten Abgasführungselements Wärmeverluste des Abgases gering gehalten werden können, weist das Abgas beim Erreichen des Turbinengehäuses und des Turbinenrads eine besonders hohe Energie auf, sodass das Turbinenrad und somit die Turbine insgesamt besonders effektiv und effizient angetrieben werden kann.
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Ein luftspaltisoliertes Abgasführungselement in Form eines luftspaltisolierten Vorrohrs ist ferner der
EP 0 508 145 A1 als bekannt zu entnehmen.
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Ferner offenbart die
DE 198 57 445 A1 ein luftspaltisoliertes Abgasrohr mit einem Außenrohr und einem aus mindestens zwei Rohrabschnitten bestehenden Innenrohr, dessen Rohrabschnitte über einen Schiebesitz miteinander verbunden sind. Dabei ist es vorgesehen, dass das Außenrohr durch Innenhochdruckumformung geformt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Abgasführungselemente auf besonders einfache Weise besonders dicht fluidisch miteinander verbunden sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbindungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher die Abgasführungselemente auf besonders einfache Weise besonders dicht fluidisch miteinander verbunden sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erster Längenbereich des Innenrohrs in dem weiteren Abgasführungselement und ein zweiter Längenbereich des weiteren Abgasführungselements in dem Außenrohr aufgenommen ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das weitere Abgasführungselement teilweise zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr des luftspaltisolierten Abgasführungselements angeordnet ist. Ferner ist in dem ersten Längenbereich zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement wenigstens ein Dichtungselement angeordnet, wodurch sich eine besonders dichte Verbindung der Abgasführungselemente auf besonders einfache Weise realisieren lässt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement zu Undichtigkeiten kommen kann. Diese Undichtigkeiten könnten hingenommen werden, da ein unerwünschtes Austreten von Abgas durch das Außenrohr verhindert werden kann. Ist das weitere Abgasführungselement jedoch als Turbinengehäuse für eine Turbine eines Abgasturboladers ausgebildet, so hat es sich gezeigt, dass Undichtigkeiten zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement (Turbinengehäuse) zu einem verzögerten Ansprechverhalten der Turbine bei Lasterhöhung führen kann. Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann eine besonders dichte Verbindung zwischen den Abgasführungselementen und insbesondere zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement geschaffen werden, sodass unerwünschte Undichtigkeiten vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. In der Folge lässt sich ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten der genannten Turbine realisieren, welche beispielsweise als Twin-Scroll-Turbine ausgebildet ist und wenigstens zwei Fluten aufweist. Somit ist es möglich, Twin-Scroll-Turbinen als weitere Abgasführungselemente mit dem luftspaltisolierten Abgasführungselement, welches beispielsweise ein luftspaltisolierter Abgaskrümmer ist, einzusetzen und hierbei die Vorteile von Twin-Scroll-Turbinen hinsichtlich eines guten und insbesondere schnellen Ansprechverhaltens mit den Vorteilen des luftspaltisolierten Abgasführungselements hinsichtlich einer effektiven Isolierung von das luftspaltisolierte Abgasführungselement durchströmendem Abgas zu kombinieren. Ferner können das Gewicht und die Kosten des luftspaltisolierten Abgasführungselements gering gehalten werden. Darüber hinaus lässt sich eine besonders gute mechanische Dauerhaltbarkeit des luftspaltisolierten Abgasführungselements schaffen.
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Im Rahmen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung kann zudem genutzt werden, dass das Innenrohr gegenüber dem Außenrohr eine stärkere Wärmedehnung aufweist. Aufgrund dieser Wärmedehnung bewegt sich das Innenrohr insbesondere im ersten Längenbereich in Richtung des weiteren Abgasführungselements, wodurch etwaige Spalte beziehungsweise Spaltquerschnitte zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement geschlossen oder zumindest verkleinert werden. Dieses Schließen oder diese Verkleinerung der Spaltquerschnitte wird erfindungsgemäß ergänzt durch das Dichtungselement, welches beispielsweise als hochtemperaturstabile Dichtung ausgebildet ist. Durch die wärmebedingte Bewegung des Innenrohrs in Richtung des weiteren Abgasführungselements kann im Zusammenspiel mit der zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement angeordneten Dichtungselement eine besonders hohe Dichtwirkung realisiert werden, sodass beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungsanordnungen der Arbeitsbereich erweitert sowie gegebenenfalls die mechanische Belastung, insbesondere des Innenrohrs, reduziert werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Verbindungsanordnung eines luftspaltisolierten Abgasführungselements an einem weiteren Abgasführungselement, bei welcher die Abgasführungselemente fluidisch miteinander verbunden sind, wobei ein erster Längenbereich eines Innenrohrs des luftspaltisolierten Abgasführungselements in dem weiteren Abgasführungselement und ein zweiter Längenbereich des weiteren Abgasführungselements in einem Außenrohr des luftspaltisolierten Abgasführungselements aufgenommen ist, und wobei in dem ersten Längenbereich zwischen dem Innenrohr und dem weiteren Abgasführungselement wenigstens ein Dichtungselement angeordnet ist;
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2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbindungsanordnung gemäß 1 in einem mit B bezeichneten Bereich;
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3 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht der Verbindungsanordnung; und
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4 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Dichtungselements.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbindungsanordnung eines luftspaltisolierten Abgasführungselements in Form eines luftspaltisolierten Abgaskrümmers 12 an einem weiteren Abgasführungselement in Form eines Turbinengehäuses 14 einer Turbine eines Abgasturboladers. Die Turbine ist beispielsweise in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet, welche zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, dient. Die Verbrennungskraftmaschine weist eine Mehrzahl von Brennräumen insbesondere in Form von Zylindern auf, in welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Hieraus resultiert Abgas, das aus den Zylindern ausströmt und mittels des luftspaltisolierten Abgaskrümmers 12, welcher auch als LSI-Krümmer bezeichnet wird, gesammelt wird. Das Abgas kann somit den Abgastrakt und insbesondere die Abgasführungselemente (luftspaltisolierter Abgaskrümmer 12 und Turbinengehäuse 14) durchströmen.
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Das Turbinengehäuse 14 weist vorliegend zwei zumindest teilweise voneinander getrennte Fluten 16 und 18 auf, welche von dem Abgas durchströmbar sind. Somit ist die Turbine als sogenannte Twin-Scroll-Turbine ausgebildet, welche ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten aufweist.
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Das Turbinengehäuse 14 weist einen in 1 nicht erkennbaren Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad der Turbine aufgenommen ist. Das Turbinenrad ist um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 14 drehbar, wobei das Abgas mittels der Fluten 16 und 18 zu dem Aufnahmeraum und somit zu dem Turbinenrad geführt wird. Somit ist das Turbinenrad von dem Abgas antreibbar. Der Abgasturbolader umfasst ferner einen in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Verdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem in dem Verdichtergehäuse angeordneten Verdichterrad. Über den Ansaugtrakt saugt die Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet ist, während ihres Betriebs Luft an, die den Ansaugtrakt durchströmt. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind mit einer gemeinsamen Welle drehfest verbunden, sodass das Verdichterrad von dem Turbinenrad antreibbar ist. Dadurch wird die den Ansaugtrakt durchströmende Luft mittels des Verdichters verdichtet, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der luftspaltisolierte Abgaskrümmer 12 Innenrohre 20 und 22 aufweist, welche beispielsweise einstückig miteinander ausgebildet sind und durch ein gemeinsames Innenteil des luftspaltisolierten Abgaskrümmers 12 gebildet werden. Ferner weist der luftspaltisolierte Abgaskrümmer 12 wenigstens ein Außenrohr 24 auf, welches beispielsweise ein den Innenrohren 20 und 22 gemeinsames Außengehäuse ist. Das Außenrohr 24 umgibt die Innenrohre 20 und 22 unter Ausbildung eines Luftspalts 26 außenumfangsseitig, welcher somit zwischen dem Außenrohr 24 und den Innenrohren 20 und 22 angeordnet ist. Zur Realisierung einer besonders kostengünstigen Herstellung ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das jeweilige Innenrohr 20 und 22 beziehungsweise das Innenteil durch Innenhochdruckumformen geformt ist.
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Durch die Innenrohre 20 und 22 sind jeweilige Abgaskanäle 28 und 30 begrenzt, welche von dem Abgas durchströmbar sind. Aus 1 ist erkennbar, dass der Abgaskanal 28 mit der Flut 16 und der Abgaskanal 30 mit der Flut 18 fluidisch verbunden ist, sodass der luftspaltisolierte Abgaskrümmer 12 fluidisch mit dem Turbinengehäuse 14 verbunden ist. Dadurch kann das den Abgaskrümmer 12 durchströmende Abgas aus dem Abgaskrümmer 12 aus- und in das Turbinengehäuse 14 einströmen. Mittels des Luftspalts 26 sind die Innenrohre 20 und 22 und somit der Abgaskrümmer 12 insgesamt isoliert, das heißt luftspaltisoliert, sodass ein Wärmeverlust des den Abgaskrümmer 12 durchströmenden Abgases besonders gering gehalten werden kann. Das Abgas weist somit eine besonders hohe Temperatur auf, wenn es in das Turbinengehäuse 14 einströmt und schließlich zu dem Turbinenrad strömt. Dadurch kann das Turbinenrad besonders effektiv von dem Abgas angetrieben werden.
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Um nun eine besonders dichte Verbindung zwischen den Abgasführungselementen auf einfache Weise zu schaffen, ist ein jeweiliger erster Längenbereich 32 der Innenrohre 20 und 22 in dem Turbinengehäuse 14 und ein zweiter Längenbereich 34 des Turbinengehäuses 14 in dem Außenrohr 24 aufgenommen. Aus 1 ist erkennbar, dass der jeweilige erste Längenbereich 32 eine in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasführungselemente verlaufende, größere Länge als der zweite Längenbereich 34 aufweist, jedoch ist zumindest ein Teil des jeweiligen ersten Längenbereichs 32 in radialer Richtung der Abgasführungselemente nach außen durch den zweiten Längenbereich 34 überdeckt, sodass sich also die Längenbereiche 32 und 34 zumindest teilweise gegenseitig überlappen. Die teilweise Anordnung des jeweiligen Innenrohrs 20 und 22 im Turbinengehäuse 14 ist besonders gut aus 2 und 3 am Beispiel des Innenrohrs 20 erkennbar, wobei die vorherigen und folgenden Ausführungen zum Innenrohrs 20 und dessen Längenbereich 32 ohne weiteres auf das andere Innenrohr 22 und dessen Längenbereich 32 übertragen werden können und umgekehrt.
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Aus 2 ist besonders gut erkennbar, dass in dem ersten Längenbereich 32 ein Dichtungselement 36 zwischen dem Innenrohr 20 (beziehungsweise dem Innenrohr 22) und dem Turbinengehäuse 14 angeordnet ist. Das Dichtungselement 36 ist eine hochtemperaturstabile Dichtung und vorliegend als separat von dem Turbinengehäuse 14 und vom Abgaskrümmer 12 ausgebildetes Bauteil ausgebildet. Vorliegend ist das Dichtungselement 36 am Turbinengehäuse 14 gehalten. Ferner ist das Dichtungselement 36 weicher als das Turbinengehäuse 14 und der Abgaskrümmer 12, sodass eine besonders vorteilhafte Abdichtwirkung geschaffen ist.
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In dem ersten Längenbereich 32 ist ein Schiebesitz zwischen dem jeweiligen Innenrohr 20 beziehungsweise 22 und dem Turbinengehäuse 14 ausgebildet, sodass sich die Innenrohre 20 und 22 in deren axialer Richtung und somit in Strömungsrichtung des Abgases thermisch bedingt ausdehnen und wieder zusammenziehen und dadurch relativ zum Turbinengehäuse 14 bewegen können. Das Dichtungselement 36 gewährleistet dabei trotz dieses Schiebesitzes eine effektive Abdichtung, sodass Undichtigkeiten zwischen den Innenrohren 20 und 22 und dem Turbinengehäuse 14 vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. In der Folge lässt sich ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten der vorzugsweise als Twin-Scroll-Turbine ausgebildeten Turbine realisieren. Da die Innenrohre 20 und 22 im jeweiligen ersten Längenbereich 32 mittels eines Schiebesitzes mit dem Turbinengehäuse 14 verbunden sind, können die Innenrohre 20 und 22 thermisch bedingten Bewegungen relativ zum Turbinengehäuse 14 ausführen, ohne dass es zu übermäßigen Spannungen im Abgaskrümmer 12 und im Turbinengehäuse 14 kommt.
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Das Dichtungselement 36 ist vorzugsweise elastisch verformbar, das heißt als Federelement ausgebildet und kann somit die thermisch bedingten Bewegungen des Innenrohrs 20 (beziehungsweise des Innenrohrs 22) relativ zum Turbinengehäuse 14 mit ausführen und dadurch eine vorteilhafte Abdichtung gewährleisten.
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In 2 veranschaulichen durchgezogene Linien das Innenrohr 20 beispielsweise bei Raumtemperatur. Demgegenüber veranschaulichen gestrichelte Linien das Innenrohr 20, nachdem sich das Innenrohr 20 thermisch bedingt ausgedehnt hat. Mit anderen Worten, das Innenrohr 20 wird durch das den Abgaskrümmer 12 durchströmende Abgas erwärmt und weist gegenüber dem Außenrohr 24 eine höhere Wärmedehnung auf, sodass sich das Innenrohr 20 – wie in 2 durch Richtungspfeile angedeutet ist – thermisch bedingt relativ zum Turbinengehäuse 14 sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung bewegt. Dabei bewegt sich das Innenrohr 20 insbesondere in radialer Richtung auf das Turbinengehäuse 14 zu, sodass ein Spalt zwischen dem Innenrohr 20 und dem Turbinengehäuse 14 zumindest verringert wird. Dieser Spalt ist beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen vorgesehen.
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Eine besonders vorteilhafte Abdichtung des Spalts ist dabei realisiert, da das Innenrohr 20 und somit auch das Innenrohr 22 im ersten Längenbereich 32 konisch ausgebildet ist, das heißt einen sich verjüngenden Verlauf aufweist. Hierdurch kann die Geometrie des Spalts in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur gestaltet werden, um einen Zielkonflikt zwischen der Abdichtung und der mechanischen Betriebsbelastung zumindest zu reduzieren. Auch das Turbinengehäuse 14 ist zumindest im Längenbereich 32 konisch ausgebildet. Durch diese konische Formgebung des Innenrohrs 20 und des Turbinengehäuses 14 kann eine vorteilhafte Spaltabdichtung realisiert werden, welche vorliegend durch das Dichtungselement 36 ergänzt wird. Das Dichtungselement 36 ist dabei ein Weichteil, um eine besonders gute Abdichtung beziehungsweise hohe Dichtheit zu realisieren. Das vorzugsweise als elastisches Element ausgebildete Dichtungselement 36 dient darüber hinaus zur Absenkung der mechanischen Betriebsbelastung der Innenrohre 20 und 22 bei gleichzeitiger Realisierung einer vorteilhaften Dichtwirkung.
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Die konische Formgebung ist besonders gut aus 3 erkennbar. Dabei verjüngt sich das Innenrohr 20 in Richtung des Turbinengehäuses 14, während sich das Turbinengehäuse 14 beziehungsweise die Flut 16 in Richtung des Abgaskrümmers 12 erweitert.
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Durch den Einsatz des Dichtungselements 36 kann der Spalt zwischen dem Innenrohr 20 und dem Turbinengehäuse 14 schon bei besonders geringen Temperaturen des Innenrohrs 20 geschlossen werden. Mit steigender Temperatur des Innenrohrs 20 steigt auch eine vom Innenrohr 20 auf das Dichtungselement 36 ausgeübte Pressung, wodurch der Spalt beispielsweise von 20 Grad Celsius bis 850 Grad Celsius immer stärker abgedichtet wird. Mit anderen Worten erhöht sich die Flächenpressung zwischen dem Dichtungselement 36 und dem Innenrohr 20 mit steigender Temperatur des Innenrohrs 20, sodass auch die Dichtheit zwischen dem Innenrohr 20 und dem Turbinengehäuse 14 mit steigender Temperatur steigt. Hierdurch können Undichtigkeiten beziehungsweise Leckagen minimiert werden.
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4 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Dichtungselements 36. Aus 4 ist erkennbar, dass das Dichtungselement 36 wenigstens zwei in gegenseitiger Überdeckung angeordnete Lagen 38 und 40 aufweist, wobei das Dichtungselement 36 ferner Dichtsicken 42 aufweist. Im Bereich der Dichtsicken 42 weisen die Lagen 38 und 40 jeweilige, versetzt zueinander angeordnete Schlitze 44 und 46 auf, wodurch eine Labyrinthdichtung gebildet ist. Durch die Schlitze 44 und 46 weist das Dichtungselement 36 zudem eine besonders hohe Elastizität und somit einen großen Federweg auf, über welchen das Dichtungselement 36 die Bewegung des Innenrohrs 20 relativ zu dem Turbinengehäuse 14 mit ausführen kann. Mit anderen Worten weist das Dichtungselement 36 in radialer Richtung eine besonders hohe Weichheit auf, sodass eine vorteilhafte Abdichtung realisiert werden kann. Durch die versetzte Anordnung der Schlitze 44 und 46 ist eine Leckage nur als Labyrinth möglich. Vorzugsweise weist das Dichtungselement 36 mindestens eine und höchstens drei Lagen auf, welche als Dichtungslagen ausgebildet sind. Die Wahl der Anzahl und die Ausführung der Schlitze 44 und 46 erfolgen vorzugsweise in Abhängigkeit von dem benötigten Federweg und der zu erzielenden Dichtheit. Der Einsatz des Dichtungselements 36 kann ferner zur Kompensation von Bauteiltoleranzen in Verbindung mit deren Wärmedehnung erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbindungsanordnung
- 12
- luftspaltisolierter Abgaskrümmer
- 14
- Turbinengehäuse
- 16
- Flut
- 18
- Flut
- 20
- Innenrohr
- 22
- Innenrohr
- 24
- Außenrohr
- 26
- Luftspalt
- 28
- Abgaskanal
- 30
- Abgaskanal
- 32
- erster Längenbereich
- 34
- zweiter Längenbereich
- 36
- Dichtungselement
- 38
- Lage
- 40
- Lage
- 42
- Dichtsicke
- 44
- Schlitz
- 46
- Schlitz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0508145 A1 [0005]
- DE 19857445 A1 [0006]
