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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Vorrichtungen zur Verbesserung der Leistung von Verbrennungsmotoren.
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Einleitung
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Verbrennungsmotoren (ICE), unabhängig davon, ob sie mit Benzin, Ethanol, Diesel oder anderen kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoffen betrieben werden, erzeugen Abgase, die NOx, CO2, VOCs, CO, Toxika, Partikel, Wasser usw. beinhalten. Hersteller von Fahrzeugen, die ICEs verwenden, ergreifen Maßnahmen zum Reinigen von Abgasen, bevor die Abgase in die Atmosphäre abgegeben werden. Das Reinigen der Abgase kann mit einer Katalysatoranordnung durchgeführt werden, die Reaktionselemente verwendet, die auf einem Keramikträger aufgebracht sind, der im Strömungspfad der Abgase angeordnet ist. Die Leistung der reagierenden Elemente verbessert sich mit zunehmenden Temperaturen. Infolgedessen gilt, je näher der Katalysator an der Abgasquelle platziert ist, desto höher ist der Wirkungsgrad, den der Katalysator erreichen wird. Darüber hinaus ist von großer Bedeutung, wie die Abgase durch die Katalysatoranordnung strömen. Ein gleichmäßiger Abgasstrom durch den Keramikträger stellt sicher, dass alle reagierenden Elemente mit den Abgasbestandteilen in Kontakt sind.
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Die heutigen ICEs verbessern die Kraftstoffeffizienz und die Leistungsabgabe, indem sie das verdrängte Volumen reduzieren und Vorrichtungen zur Leistungsverbesserung, wie beispielsweise Kompressoren, Turbolader, variable Ventilsteuerung usw. hinzufügen. Vor allem Turbolader stellen aufgrund ihrer Größe und der erforderlichen Anschlüsse eine Herausforderung für die Fahrzeugentwickler dar. So müssen beispielsweise Turbolader einen Kommunikationszugang sowohl zum Abgassystem als auch zum Lufteinlasssystem aufweisen. Umso wichtiger ist es, das Katalysatorsystem so nah wie möglich am Turbolader zu platzieren, um hohe Temperaturen in den Katalysatoren aufrechtzuerhalten. Die Herausforderung besteht jedoch nach wie vor darin, gleichmäßige Strömungseigenschaften durch die Katalysatoranordnung aufrechtzuerhalten.
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Obwohl die heutigen ICEs viele der Ziele erreichen, für die sie bestimmt sind, sind sie durch die Erhöhung der Kosteneffizienz, der Kraftstoffeffizienz und der Emissionsstandards weniger effektiv geworden.
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Die
DE 103 03 776 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit einem in axialer Richtung zur Drehachse des Turbinenrades angeordnetem Auslasskanal. In den Auslasskanal ist ein Strömungsteiler eingebracht, der einen Sammelkanal und einen zum Sammelkanal koaxial verlaufenden Abgaskanal bildet. Der im radialen Randbereich der Turbine aus dem Turbinenrad austretende Abgasteilstrom wird in den Sammelkanal geleitet und durch im Sammelkanal angeordnete Leitschaufeln in die Abgasrückführung geleitet.
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Die US 2001 / 0 028 839 A1 beschreibt einen Zentrifugalkompressor, in dem ein Gehäuse einen ringförmigen Behandlungshohlraum in einer Mantelwand 5 aufweist. Die Mantelwand hat eine erste Öffnung, die eine Verbindung zwischen einem Installationsbereich eines Laufrads und dem Behandlungshohlraum herstellt, und eine zweite Öffnung, die eine Verbindung zwischen dem Behandlungshohlraum und einem Bereich stromaufwärts der ersten Öffnung herstellt, um Luft während eines Betriebs mit geringer Durchflussrate umzuwälzen. In der zweiten Öffnung sind in Umfangsrichtung äquidistant zueinander beabstandete Lamellen angeordnet, die entgegengesetzt zur Drehrichtung des Laufrads geneigt sind, so dass die in den Behandlungshohlraum gesaugte Luft beim Austritt durch die zweite Öffnung einer gerichteten Strömungsführung mit einer zur Drehrichtung des Laufrads entgegengesetzten Wirbelrichtung unterworfen wird.
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Die WO 2017 / 138 199 A1 beschreibt einen Zentrifugalkompressor mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines Laufrads und mit einem Ansaugkanal. Der Ansaugkanal ist versehen mit einer ersten Öffnung, die an einer dem Laufrad zugewandten Position ausgebildet ist, einer zweiten Öffnung, die an der stromaufwärts gelegenen Seite der ersten Öffnung ausgebildet ist, mit einem Zirkulationsströmungskanal, der eine Verbindung zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung herstellt und sich in einer ringförmigen Form erstreckt, die um die Rotationsachse des Laufrades zentriert ist, und mit einer Vielzahl von Leitschaufeln, die in dem Zirkulationsströmungskanal angeordnet sind. Der Zirkulationsströmungskanal umfasst einen ersten Bereich, in dem die Vielzahl von Leitschaufeln in der Umfangsrichtung in einem Abstand voneinander angeordnet sind, und einen zweiten Bereich, in dem keine Leitschaufel angeordnet ist. Der zweite Bereich erstreckt sich in einem Bereich, der in Umfangsrichtung größer ist als der Abstand zwischen den Leitschaufeln im ersten Bereich.
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Die
DE 10 2012 204 155 A1 beschreibt ein Abgassystem, das einen abgasgetriebenen Turbolader mit einem Auslass und einem geflanschten Abschnitt umfasst, der sich um den Auslass erstreckt. Das Abgassystem umfasst eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die einen Behälter mit einem Einlasskonus umfasst, der einen einteiligen Einlassflansch aufweist, der eine Einlassöffnung definiert, die derart konfiguriert ist, eine Dichtung mit dem geflanschten Abschnitt zu definieren, die sich um den Auslass des Turboladers erstreckt, und ein Substrat, das in dem Behälter angeordnet ist und durch das das Abgas strömt. Ein Abgaskanal koppelt den Turbolader fluidtechnisch mit der Abgasbehandlungsvorrichtung und lässt den Durchgang von Abgas dazwischen zu, und ein Strömungsmodifizierer, der einen sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitt umfasst, erstreckt sich von einer Innenwand des Abgaskanals und lenkt das Abgas von einem Außenradius des Abgaskanals weg, um das Abgas gleichmäßig über eine Einlassseite des Substrats zu verteilen.
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Die US 2010 / 0 071 676 A1 beschreibt ein Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem und einen Resonator für eine turboaufgeladene Verbrennungskraftmaschine. Der Resonator, der zur Reduzierung des Ansauggeräusches dient, ist am Motor montiert. Eine Ölabscheideeinheit, die für den Durchgang von Blowby-Gasen ausgelegt ist, ist an einer Nockenabdeckung montiert, die zwischen dem Resonator und der Nockenabdeckung liegt. Der Resonator hat einen Resonatorkörper, in dem ein Resonatorvolumen definiert ist. Der Resonator stellt eine Fluidverbindung zwischen der Ölabscheideeinheit und dem Lufteinlassrohr des Turboladers her, wodurch Blowby-Gase aus der Nockenabdeckung abgesaugt und durch das Resonatorvolumen geleitet werden, um dem Lufteinlasssystem des Motors wieder zugeführt zu werden.
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Die US 2015 / 0 000 273 A1 beschreibt einen Turbolader, der ein Turbinenrad umfasst, das in einem Turbinengehäuse montiert und über eine Welle mit einem Verdichterrad verbunden ist. Das Turbinengehäuse definiert einen Abgaseinlass, der mit einem das Turbinenrad umgebenden Spiralgehäuse verbunden ist, und eine axiale Bohrung, durch die Abgas, das das Turbinenrad passiert hat, aus dem Turbinengehäuse abgeleitet wird. Das Turbinengehäuse weist ferner einen ringförmigen Bypass-Durchgang auf, der die Bohrung umgibt und so angeordnet ist, dass das Abgas an dem Turbinenrad vorbeigeleitet werden kann. In dem Bypass-Kanal ist ein ringförmiges Bypass-Ventil angeordnet. Das Bypass-Ventil umfasst einen festen ringförmigen Ventilsitz und ein drehbares ringförmiges Ventilelement, das koaxial zum Ventilsitz angeordnet ist. In dem ringförmigen Bypass-Kanal ist ein Katalysator angeordnet. Der Katalysator besteht aus voneinander beabstandeten, wellenförmigen Metallrippen, die mit einem Katalysatormaterial beschichtet sind und sich in einem allgemein ringförmigen Käfig befinden.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten ICE, der die Kraftstoffeffizienz verbessert, die Leistungsabgabe erhöht und gleichzeitig die immer strengeren Abgasnormen erfüllt, zur Verfügung zu stellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Der Turbolader beinhaltet ein Turbinengehäuse mit einer Turbinenanordnung und einer toroidalförmigen Niederdruck-Abgaskammer. Die Niederdruck-Abgaskammer beinhaltet eine äußere Umfangswand, eine erste Wand, eine zweite Wand gegenüber der ersten Wand und eine Vielzahl von Schaufeln. Die erste Wand und die zweite Wand sind einander zugewandt und in axialer Richtung voneinander beabstandet. Die äußere Umfangswand verbindet die erste Wand und die zweite Wand miteinander. Die Vielzahl von Schaufeln sind mit der äußeren Umfangswand, der ersten Wand und der zweiten Wand verbunden. Die Vielzahl von Schaufeln der Niederdruck-Abgaskammer sind in der Niederdruck-Abgaskammer unter einem Winkel α relativ zu einer Linie senkrecht zur äußeren Umfangswand der Niederdruck-Abgaskammer angeordnet und wirken als Strömungsbrecher, so dass die Schaufeln einen hochrotierenden Abgasstrom aus der Turbinenanordnung stören, um einen gleichmäßigen Abgasstrom aus einem Abgasauslass zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt der Winkel α zwischen der Vielzahl von Schaufeln und der Linie senkrecht zur äußeren Umfangswand der Niederdruck-Abgaskammer zwischen +45° und -45°.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der Winkel α zwischen der Vielzahl von Schaufeln und der Linie senkrecht zur äußeren Umfangswand der Niederdruck-Abgaskammer zwischen +25° und -25°.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Turbolader ferner eine Katalysatoranordnung, die axial mit dem Abgasauslass des Turbinengehäuses verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Katalysatoranordnung ein zylindrisch geformtes Katalysatorelement mit einem Abgaseinlassende und einem Abgasauslassende. Das Abgaseinlassende ist axial ausgerichtet mit der Niederdruck-Abgaskammer und dem Abgasauslass des Turbinengehäuses.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Abgaseinlass des Turbinengehäuses tangential zur Hochdruckkammer des Turbinengehäuses angeordnet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Der Turbolader umfasst ein Verdichtergehäuse, das an dem Verbrennungsmotor zwischen einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe des Verbrennungsmotors montiert ist. Das Verdichtergehäuse beinhaltet einen Frischlufteinlass, einen Druckluftauslass und ein Verdichterrad. Der Turbolader beinhaltet ferner ein Turbinengehäuse, das axial mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Das Turbinengehäuse beinhaltet einen Abgaseinlass, eine Hochdruck-Abgaskammer, eine Niederdruck-Abgaskammer, einen Abgasauslass und ein Turbinenrad. Die Niederdruck-Abgaskammer beinhaltet eine äußere Umfangswand, eine erste Wand, eine zweite Wand gegenüber der ersten Wand und mindestens eine erste und zweite Schaufel. Die erste Wand und die zweite Wand sind einander zugewandt und in axialer Richtung voneinander beabstandet. Die äußere Umfangswand verbindet die erste Wand und die zweite Wand miteinander. Die erste und die zweite Schaufel sind mit der äußeren Umfangswand, der ersten Wand und der zweiten Wand verbunden. Der Turbolader umfasst ferner eine Welle, die mit dem Verdichterrad und dem Turbinenrad zur gemeinsamen Drehung verbunden ist, und eine Katalysatoranordnung, die axial mit dem Abgasauslass des Turbinengehäuses verbunden ist. Die ersten und zweiten Schaufeln der Niederdruck-Abgaskammer sind in der Niederdruck-Abgaskammer unter einem Winkel α relativ zu einer Linie senkrecht zur äußeren Umfangswand der Niederdruck-Abgaskammer angeordnet und wirken als Strömungsbrecher, so dass die Schaufeln einen hochrotierenden Abgasstrom aus der Turbinenanordnung stören, um einen gleichmäßigen Abgasstrom aus dem Abgasauslass zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt der Winkel α zwischen jeder der ersten und zweiten Schaufeln und der Linie senkrecht zur äußeren Umfangswand der Niederdruck-Abgaskammer zwischen +45° und -45° liegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der Winkel α zwischen jeder der ersten und zweiten Schaufeln und der Linie senkrecht zur äußeren Umfangswand der Niederdruck-Abgaskammer zwischen +25° und -25° liegt.
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Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1 ist eine perspektivische Draufsicht eines Verbrennungsmotorsystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Turboladers und eines Abgaskatalysators gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Auslasses eines Turboladers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Auslasses eines Turboladers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist ein Ausschnitt aus der perspektivischen Ansicht eines Auslasses eines Turboladers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Auslasses eines Turboladers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 7 ist ein Ausschnitt aus der perspektivischen Ansicht eines Auslasses eines Turboladers gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Katalysatorelements gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 9 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Turbinengehäuses gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 10 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Turbinengehäuses gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, und
- 11 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Turbinengehäuses gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, wird in 1 ein System 10 für Verbrennungsmotoren (ICE) veranschaulicht und gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Das Verbrennungsmotorsystem 10 beinhaltet eine Motorunteranordnung 12, einen Turbolader 14 und eine Katalysatoranordnung 16. Obwohl das ICE-System 10 auch andere Anordnungen und Unterordnungen wie ein Ansaugkrümmer, eine Drosselklappe und Abgaskrümmer beinhalten kann, umfasst der Umfang der vorliegenden Offenbarung auch diese Unterordnungen. Spezifisch für 1 beinhaltet die Motorunteranordnung 12 eine erste Zylinderbank 18 und eine zweite Zylinderbank 20, die in Form eines „V“ angeordnet sind und eine Mulde 22 bilden. Der Turbolader 14 und die Katalysatoranordnung 16 sind in der Mulde 22 zwischen den ersten und zweiten Zylindern 18, 20 angeordnet.
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Unter Bezugnahme auf 2 werden der Turbolader 14 und die Katalysatoranordnung 16 näher erläutert und beschrieben. Der Turbolader 14 beinhaltet eine Verdichteranordnung 24 und eine Turbinenanordnung 26, die miteinander verbunden und axial um eine Achse i über eine Welle 64 ausgerichtet sind, wie in den 3 und 4 dargestellt. Ein Verdichterrad (nicht dargestellt) ist in der Verdichteranordnung 24 drehbar gelagert und auf der Welle montiert, die von einem Turbinenrad 54 angetrieben wird, dargestellt in den 3 und 4, die drehbar in der Turbinenanordnung 26 gelagert sind. Konkret weist die Turbinenanordnung 26 einen Abgaseinlass 28 und einen Abgasauslass 30 auf, die in ein Turbinengehäuse 32 integriert sind. Der Abgaseinlass 28 der Turbinenanordnung 26, besser dargestellt in 3, ist mit dem Abgaskrümmer (nicht dargestellt) der Motoranordnung 12 verbunden und empfängt hochdruckbelastete, hochströmende Abgase aus den Zylindern. Die Abgase treiben das Turbinenrad und damit die Welle des Turboladers 14 an. Sobald die Abgase über das Turbinenrad geleitet werden, leitet das Turbinengehäuse 32 die Abgase zum Abgasauslass 30.
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Zusätzlich zum Verdichterrad beinhaltet die Verdichteranordnung 24 ein Verdichtergehäuse 34 mit einem Frischlufteinlass 36 und einem Druckluftauslass 38. Da die Welle des Turboladers 14 durch die durch das Turbinenrad strömenden Abgase gedreht wird, dreht sich das Verdichterrad unter Druck der einströmenden Frischluft zwischen dem Frischlufteinlass 36 und dem Druckluftauslass 38. Die entstehende Hochdruck-Frischluft wird durch den Ansaugkrümmer an die Zylinder geleitet.
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Die Katalysatoranordnung 16 beinhaltet ein Katalysatoranordnungsgehäuse 40 mit einem Abgaseinlass 42, einem Abgasauslass 44 und einem Katalysatorelement 46, dargestellt als das Innere des Katalysatoranordnungsgehäuses 40 in 8. Der Abgaseinlass 42 nimmt Abgase aus dem Abgasauslass 30 der Turbinenanordnung 26 auf. Sobald die Abgase im Katalysatoranordnungsgehäuse 40 sind, durchströmen sie das Katalysatorelement 46 und werden behandelt. Das Katalysatorelement 46 weist eine zylindrische Form mit einer inneren Struktur auf, die mehrere Kanäle beinhaltet, durch die das Abgas strömt. Die innere Struktur ist mit Elementen beschichtet, die mit den Abgasen reagieren. Nach dem Behandeln verlassen die Abgase das Katalysatoranordnungsgehäuse 40 durch den Abgasauslass 44 zum restlichen Abgassystem (nicht dargestellt).
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Mit Blick nun auf die 3-5 und 8-11 sind Darstellungen des Turbinengehäuses 32 dargestellt und werden nun beschrieben. Das Turbinengehäuse 32 beinhaltet eine toroidalförmige Hochdruck-Abgaskammer 48, einen Turbinenraddurchgang 50 und eine toroidalförmige Niederdruck-Abgaskammer 52. Konkret ist das Turbinenrad 54 durch das Turbinengehäuse 32 im Turbinenraddurchgang 50 drehbar gelagert. Der Abgaseinlass 28 ist tangential mit der Hochdruck-Abgaskammer 48 verbunden. Die Niederdruck-Abgaskammer 52 ist axial mit dem Abgasauslass 30 verbunden. Die Abgase aus den Zylindern der Motorunteranordnung 12 treten in den Abgaseinlass 28 in die Hochdruck-Abgaskammer 48 ein und durchlaufen den Turbinenraddurchgang 50, der das Turbinenrad 54 dreht. Nach dem Durchlaufen des Turbinenraddurchgangs 50 sammeln sich die Abgase in der Niederdruck-Abgaskammer 52 in einer stark rotierenden Strömung.
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Die Niederdruck-Abgaskammer 52 beinhaltet eine äußere Umfangswand 56, eine vordere oder erste Kammerwand 58, eine hintere oder zweite Kammerwand 60 und eine Vielzahl von Schaufeln oder Strömungsbrechern 62. Die Schaufeln 62 sind an der äußeren Umfangswand 56 angeordnet, die jede der vorderen und hinteren Kammerwände 58, 60 verbindet. Die Schaufeln 62 können in einem Winkel α zur äußeren Umfangswand 56 angeordnet sein. Der Winkel α kann zwischen +45° und -45° liegen. Vorzugsweise liegt der Winkel α im Bereich von +25° bis -25°. Die Schaufeln 62 stören den hochrotierenden Abgasstrom in der Niederdruck-Abgaskammer 52. Im vorliegenden Fall strömt der Strom der gestörten Abgase gleichmäßig in das Katalysatorelement 46. In diesem Zusammenhang wird ein größerer Teil des Katalysatorelements 46 über die Lebensdauer des Katalysatorelements 46 gleichmäßig mit Abgasen reagiert und verlängert so seine Nutzungsdauer, ohne die Belastung des Katalysatorelements 46 zu erhöhen.
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Unter Bezugnahme nun auf die 6 und 7 ist ein weiteres Beispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht und wird nun beschrieben. Ein Turbinengehäuse 80 eines Turboladers beinhaltet eine toroidalförmige Hochdruck-Abgaskammer 82, einen Turbinenraddurchgang 84 und einen kegelförmiger Niederdruck-Abgaskanal 86. Konkret ist das Turbinenrad (nicht dargestellt) durch das Turbinengehäuse 80 im Turbinenraddurchgang 82 drehbar gelagert. Ein Abgaseinlass 90 ist tangential mit der Hochdruck-Abgaskammer 82 verbunden. Der Niederdruck-Abgaskanal 86 ist axial mit einem Abgasauslass 92 verbunden. Die Abgase aus den Zylindern der Motorunteranordnung 12 (1) treten in den Abgaseinlass 92 in die Hochdruck-Abgaskammer 82 ein und durchlaufen den Turbinenraddurchgang 84, der das Turbinenrad (nicht dargestellt) dreht. Nach dem Durchlaufen des Turbinenraddurchgangs 84, durchströmen die Abgase den Niederdruck-Abgaskanal 86 in einer stark rotierenden Strömung.
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Der Niederdruck-Abgaskanal 86, der eine kegelstumpfförmige Form aufweist, beinhaltet eine Innenfläche 94 mit einer Vielzahl von Rippen oder Vorsprüngen 96. Die Rippen 96 sind auf der Innenfläche 94 des Niederdruck-Abgaskanals 86 in einer überwiegend axialen Ausrichtung angeordnet. Andere Ausrichtungen, Abmessungen oder Formen der Rippen 96 können jedoch berücksichtigt werden, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. So können beispielsweise die Rippen in einem Winkel λ relativ zur Achse i angeordnet sein. Der Winkel λ kann zwischen +45° und -45° liegen. Vorzugsweise liegt der Winkel λ im Bereich von +25° bis -25°.
