DE3507541A1 - Turbocharger arrangement with additional fresh gas turbine - Google Patents

Turbocharger arrangement with additional fresh gas turbine

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Abstract

In order to reduce the response lag of an exhaust turbocharger arrangement in the event of a load increase the rotor (6) of a fresh gas turbine (7) is arranged on the shaft (1) of the turbocharger arrangement, through which turbine, the induced fresh gas (10) flows in the driving direction in intake operation of the associated internal combustion engine. <IMAGE>

Description

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3180 Wolfsburg3180 Wolfsburg

K- 3560/1770-hu-saK-3560/1770-hu-sa

Turboladeranordnung mit zusätzlicher FrischgasturbineTurbocharger arrangement with additional fresh gas turbine

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a turbocharger arrangement according to the preamble of the patent claim 1.

Bei der aus der DE-OS 32 37 897, F02B 37/00, bekannten Turboladeranordnung dieses Auf baus steht der Auslaß des Ladegebläses, das in üblicher Weise über die mit ihm drehfest verbundene Abgasturbine durch die Abgase der Brennkraftmaschine angetrieben wird, dauernd in Verbindung mit dem Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine und ist über eine Absperrvorrichtung mit dem Einlaß einer Frischgasturbine verbindbar, wenn Betriebsbedingungen vorliegen, bei denen das Ladegebläse einen Ladeluftüberschuß erzeugt. Dieser bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine erzeugte Ladeluftüberschuß wird dann also zum Antrieb der Turboladeranordnung ausgenutzt.In the case of the turbocharger arrangement known from DE-OS 32 37 897, F02B 37/00, this On construction stands the outlet of the charge blower, which in the usual way via the exhaust gas turbine connected to it in a rotationally fixed manner through the exhaust gases of the internal combustion engine is driven, continuously in connection with the fresh gas inlet of the internal combustion engine and can be connected via a shut-off device to the inlet of a fresh gas turbine when operating conditions exist in which the charge fan has a Generated excess charge air. This at high speeds and / or loads of the internal combustion engine The excess charge air generated is then used to drive the turbocharger arrangement.

Bei dieser bekannten Turboladeranordnung sind der Turbolader und das Ladegebläse also so ausgelegt, daß sie bereits bei niedrigen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine eine Aufladung bewirken, wodurch sich die Erzeugung eines beträchtlichen Ladeluftüberschusses bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine ergibt.In this known turbocharger arrangement, the turbocharger and the charge fan are so designed so that they cause a charge even at low speeds and / or loads of the internal combustion engine, whereby the generation of a considerable Excess charge air at high speeds and / or loads of the internal combustion engine results.

Vorsitzender Vorstand: Di. rer. pol. Ca·: H Hahn, Vorsitzende! ■ Hu:,! Mun.-ner, ste-Ils». Vori..!/".ü·-: · da·::. ί;^·α.νυ<ι! · ivl H- .·■/ B; a>n Chairman of the Board of Directors: Di. rer. pole. Ca ·: H Hahn, chairman! ■ Hu:,! Mun.-ner, ste-Ils ». Vori ..! / ". Ü · -: · da · ::. Ί; ^ · α.νυ <ι! · Ivl H-. · ■ / B; a> n

des Aufsichtsrats: Prof. Dr techn. Ernst Fiala · D:. jui. Pt'ic Freik ■ Dr. jur. Walujang R. Hebbel · GjMcI He-lwieii ■ Oi tc· pr·. v'.t'rx.- Γ. 5 ' :τ·.·α: * of the Supervisory Board: Prof. Dr techn. Ernst Fiala D :. jui. Pt'ic Freik ■ Dr. jur. Walujang R. Hebbel · GjMcI He-lwieii ■ Oi t c · pr ·. v'.t'rx.- Γ. 5 ': τ ·. · Α: *

Karl Gustaf Ratjen Dr. rer. pol. Rolf Selowsky Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wollsburg HRB 215 Karl Gustaf Ratjen Dr. rer. pole. Rolf Selowsky Seat of the company: Wolfsburg District Court Wollsburg HRB 215

Bekanntlich macht es Schwierigkeiten, eine Turboladeranordnung so zu gestalten, daß sie bereits im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine in nennenswertem Umfang eine Aufladungswirkung hat. Besonders nachteilig macht sich diese Eigenheit eines Turboladers dann bemerkbar, wenn die Brennkraftmaschine relativ schnell in Richtung höhere Last gesteuert bzw. geregelt wird. Infolge der trägen rotierenden Massen des Turboladers steigt seine Drehzahl nur langsam, so daß die mit der Turboladeranordnung ausgerüstete Brennkraftmaschine Lastwechseln nur relativ langsam folgen kann.It is known that it is difficult to design a turbocharger arrangement so that they are already appreciable in the lower partial load range of the internal combustion engine Scope has a charging effect. This peculiarity of a turbocharger is particularly disadvantageous when the internal combustion engine is relatively is quickly controlled or regulated in the direction of higher load. As a result of the sluggish rotating masses of the turbocharger, its speed increases only slowly, so that the internal combustion engine equipped with the turbocharger arrangement can only follow load changes relatively slowly.

Es ist bekannt, neben der Ausnutzung der Abgasenergie eine Entnahme von Antriebsenergie für den Abgasturbolader aus der zugeordneten Brennkraftmaschine vorzusehen, um die beschriebene Trägheit des Abgasturboladers zu verringern. Außer mechanischen und zusätzlichen elektrischen Antrieben für den Abgasturbolader ist aus der US-PS 4 285 200, F02B 37/10, ein hydraulisches Antriebssystem für den Turbolader bekannt, bei dem der Druck im Schmierölsystem der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Turbinenrads auf der Welle des Turboladers ausgenutzt wird.It is known, in addition to utilizing the exhaust gas energy, to extract drive energy to be provided for the exhaust gas turbocharger from the associated internal combustion engine in order to reduce the described inertia of the exhaust gas turbocharger. Except mechanical and additional electrical drives for the exhaust gas turbocharger from US-PS 4,285,200, F02B 37/10, a hydraulic drive system for the Turbocharger is known in which the pressure in the lubricating oil system of the internal combustion engine is used to drive a turbine wheel on the shaft of the turbocharger.

Die Erfindung geht einen anderen Weg. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladeranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die beschriebene Trägheit der Turboladeranordnung bei Lastwechseln der Brennkraftmaschine zumindest erheblich verringert ist, ohne daß die Anordnung bezüglich des maximalen Ladeluftbedarfs der Brennkraftmaschine wesentlich überdimensioniert sein muß.The invention takes a different approach. It is based on the task of a turbocharger arrangement with the features of the preamble of claim 1 so that the described inertia of the turbocharger assembly during load changes the internal combustion engine is at least significantly reduced, without the arrangement significantly overdimensioned with regard to the maximum charge air requirement of the internal combustion engine have to be.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.The solution to this problem according to the invention consists in the characterizing features of claim 1, advantageous designs and developments of the invention describe the subclaims.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist also die Ausnutzung der kinetischen Energie der Ladeluft der Brennkraftmaschine während des Saugbetriebs. Gegenüber dem aus der genannten US-Patentschrift bekannten hydraulischen Antrieb für die Turboladeranordnung besitzt die erfindungsgemäße Ausnutzung der kinetischen Energie der angesaugten Ladeluft den Vorteil einer besonders einfachen Leitungsführung, da die Frischgasturbine unmittelbar neben dem Ladegebläse und damit in unmittelbarer Nachbarschaft der Ladeluftleitungen angeordnet sein kann.An essential feature of the invention is the use of the kinetic Energy of the charge air of the internal combustion engine during suction operation. Compared to the hydraulic drive known from the aforementioned US patent for the Turbocharger arrangement utilizes the kinetic energy according to the invention the intake charge air has the advantage of a particularly simple line routing, since the fresh gas turbine is directly next to the charge fan and thus in the immediate vicinity Can be arranged in the vicinity of the charge air lines.

Gemäß Patentanspruch 6 besteht die vorteilhafte Möglichkeit, durch Vorsehen einer einfachen Leitung eine Ergänzung der Turboladeranordnung im Sinne der Ausnutzung eventuell anfallender überschüssiger Ladeluftenergie gemäß der genannten DE-OS 32 37 897 vorzunehmen.According to claim 6 there is the advantageous possibility by providing a simple line an addition to the turbocharger arrangement in terms of utilization any excess charge air energy that may arise in accordance with DE-OS 32 37 897 mentioned.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, deren Figuren Längsschnitte durch die jeweilige Turboladeranordnung wiedergeben.In the following three embodiments of the invention are based on the drawing explained, the figures of which show longitudinal sections through the respective turbocharger arrangement.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man auf der gemeinsamen Welle 1 das Turbinenrad 2 der allgemein mit 3 bezeichneten Abgasturbine, das Gebläserad 4 des allgemein mit 5 bezeichneten Ladegebläses und das Turbinenrad 6 der Frischgasturbine 7. Die Räder 2, 4 und 6 sind demgemäß drehfest miteinander verbunden.If you first look at Fig. 1, you can see this on the common shaft 1 Turbine wheel 2 of the exhaust gas turbine generally designated 3, the fan wheel 4 of the generally with 5 designated charge blower and the turbine wheel 6 of the fresh gas turbine 7. The wheels 2, 4 and 6 are accordingly connected to one another in a rotationally fixed manner.

Die Abgasturbine 3 wird in üblicher Weise gemäß den Pfeilen 8 und 9 vom Abgas der nicht dargestellten Brennkraftmaschine durchströmt, während die gemäß Pfeil in den frischgasseitigen Teil der Turboladeranordnung eintretende Ladeluft bzw. allgemein das Frischgas entsprechend den Pfeilen 11 und 12 zum nicht dargestellten Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine gelangen.The exhaust gas turbine 3 is in the usual manner according to the arrows 8 and 9 from the exhaust gas of the internal combustion engine, not shown, flows through it, while the charge air entering the fresh gas-side part of the turbocharger arrangement or in general according to the arrow the fresh gas reach the fresh gas inlet of the internal combustion engine, not shown, as indicated by arrows 11 and 12.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt die Frischgasturbine, die kleiner dimensioniert ist als das Ladegebläse 5, in dem Bypass 13 zum Ladegebläse 5. Sowohl im Zuge des Ladegebläses 5 als auch in dem Bypass 13 finden sich Klappen IA und einer Absperrvorrichtung, die so angesteuert wird, daß bei nur geringem Abfall von Abgasenergie in der Abgasturbine 3 die Klappe 14 geschlossen, dagegen die Klappe 15 geöffnet ist. Dann durchsetzt das jetzt von der Brennkraftmaschine angesaugte Frischgas allein die Frischgasturbine 6, die so ausgelegt ist, daß sie durch dieses Frischgas angetrieben wird und demgemäß die Turboladeranordnung beschleunigt oder zumindest auf einer bestimmten Drehzahl hält.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the fresh gas turbine, which has smaller dimensions, is located is than the charging fan 5, in the bypass 13 to the charging fan 5. Both in the course of the charging fan 5 and in the bypass 13 there are flaps IA and a shut-off device, which is controlled so that with only a small drop of Exhaust gas energy in the exhaust gas turbine 3, the flap 14 is closed, but the flap 15 is open. Then penetrates what is now sucked in by the internal combustion engine Fresh gas only the fresh gas turbine 6, which is designed so that it can through this Fresh gas is driven and accordingly accelerates the turbocharger assembly or at least holds at a certain speed.

Wie bei 14' und 15' angedeutet, kann die Absperrvorrichtung statt vor den Einrichtungen 5 und 7 auch in Strömungsrichtung der Ladeluft hinter diesen vorgesehen sein.As indicated at 14 'and 15', the shut-off device can take place in front of the facilities 5 and 7 can also be provided behind this in the direction of flow of the charge air.

Wie auch bei den weiteren noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen sind die Abgasturbine 3 und das Ladegebläse 5 so ausgelegt, daß sie etwa den maximalen Ladeluftbedarf der Brennkraftmaschine decken. Ein eventuell geförderter Überschuß an Ladeluft wird über die Rückführungsleitung 16 zwischen Auslaß des Ladegebläses, 5 und Einlaß der Frischgasturbine 7 zum zusätzlichen Antrieb der Turboladeranordnung mittels der Frischgasturbine 7 ausgenutzt. In dieser Rückführungsleitung liegt die Klappe 17 einer weiteren Absperrvorrichtung, die nur bei Betriebsweisen der Brennkraftmaschine im öffnenden Sinne betätigt wird, bei denen Ladeluftüberschuß erzeugt wird.As with the other exemplary embodiments still to be described, the The exhaust gas turbine 3 and the charge fan 5 are designed so that they cover approximately the maximum charge air requirement of the internal combustion engine. A possibly promoted excess of charge air is supplied via the return line 16 between the outlet of the charge blower, 5 and inlet of the fresh gas turbine 7 for additional drive of the turbocharger arrangement exploited by means of the fresh gas turbine 7. In this return line is the flap 17 of a further shut-off device, which is only available in operating modes the internal combustion engine is operated in the opening sense, in which excess charge air is produced.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Abgasturbine mit 20, das Ladegebläse mit 21 und die Frischgasturbine mit 22 bezeichnet. Das Frischgas strömt in die Turboladeranordnung in der Figur von rechts gemäß dem Pfeil 23 ein. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Frischgasturbine 22 nicht in einem Bypass zum Ladegebläse 21, sondern die Rotoren 24 und 25 liegen bei Betrieb der Frischgasturbine, d.h. bei gezeichneter Stellung der Klappen 26 und 27 der Absperrvorrichtung, in Reihe. Infolge der unterschiedlichen Dimensionierung von Frischgasturbine 22 und Ladegebläse 21 treibt das von der Brennkraftmaschine bei dieser Betriebsweise angesaugte Frischgas die Frischgasturbine 22 und damit die gesamte Turboladeranordnung an, während im Bereich des Ladegebläses 21 praktisch kein Energieaustausch zwischen strömendem Frischgas einerseits und Turboladeranordnung andererseits erfolgt.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the exhaust gas turbine is at 20, the charge fan with 21 and the fresh gas turbine with 22. The fresh gas flows into the turbocharger arrangement in the figure from the right according to the arrow 23. In this In the exemplary embodiment, the fresh gas turbine 22 is not in a bypass to the charge fan 21, but the rotors 24 and 25 are in operation of the fresh gas turbine, i.e. with the position of the flaps 26 and 27 of the shut-off device shown in the drawing Line. As a result of the different dimensions of fresh gas turbine 22 and Charging fan 21 drives the fresh gas sucked in by the internal combustion engine in this mode of operation, the fresh gas turbine 22 and thus the entire turbocharger arrangement on, while in the area of the supercharger 21 there is practically no energy exchange between the flowing fresh gas on the one hand and the turbocharger arrangement on the other hand he follows.

Bei 28 ist wiederum eine Rückführungsleitung für überschüssige Ladeluft mit der Klappe 29 einer weiteren Absperrvorrichtung gezeichnet, die bei Betriebsweisen der Brennkraftmaschine mit Ladeluftüberschuß die Leitung 28 freigibt.At 28 is again a return line for excess charge air with the Flap 29 of a further shut-off device drawn, which is operated in the Internal combustion engine with excess charge air releases line 28.

In diesem Ausführungsbeispiel ist also die Frischgasturbine von der Frischgaseinlaßleitung 30 des Ladegebläses 21 zentral durchsetzt.In this embodiment, the fresh gas turbine is from the fresh gas inlet line 30 of the charging blower 21 penetrated centrally.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Rotoren AO des Ladegebläses 41 und 42 der Frischgasturbine 43 in zweckmäßiger Weise zu einem gemeinsamen Bauteil zusammengefaßt, das drehfest auf der auch den Rotor 44 der Abgasturbine 45 tragenden Welle 46 sitzt. Auch hier durchsetzt das gemäß Pfeil 47 einströmende Frischgas im Saugbetrieb der Brennkraftmaschine, d.h. bei dargestellter Lage derIn the exemplary embodiment according to FIG. 3, the rotors are AO of the charge blower 41 and 42 of the fresh gas turbine 43 in an expedient manner to form a common component summarized, which is non-rotatably seated on the shaft 46 which also carries the rotor 44 of the exhaust gas turbine 45. Here, too, the inflowing according to arrow 47 penetrates Fresh gas in suction mode of the internal combustion engine, i.e. with the position of the

Klappen 48 und 49 der Absperrvorrichtung, sowohl das Ladegebläse 41 als auch die Frischgasturbine 43, während im Aufladungsbetrieb, d.h. bei vertauschter Lage der Klappen 48 und 49, das Frischgas nur das Ladegebläse 41 durchströmt.Flaps 48 and 49 of the shut-off device, both the charging fan 41 and the Fresh gas turbine 43, while in supercharging operation, i.e. with the position of the Flaps 48 and 49, the fresh gas only flows through the charge fan 41.

Wiederum ist bei 50 eine mit der Klappe 51 einer weiteren Absperrvorrichtung ausgerüstete Rückführungsleitung für Ladeluftüberschuß zum Frischgaseinlaß dargestellt. Again at 50 is one equipped with the flap 51 of a further shut-off device Return line for excess charge air to the fresh gas inlet shown.

Sofern die Abgasturbine und das Ladegebläse so ausgelegt sind, daß sie nie in nennenswertem Maße Frischgasüberschuß erzeugen, wird man auf die Rückführungsleitung nebst zweitem Absperrorgan verzichten.Provided that the exhaust gas turbine and the supercharger are designed so that they are never worth mentioning Generate an excess of fresh gas, the return line and the second shut-off device will be dispensed with.

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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, enthaltend in drehfester Verbindung eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine gespeiste Abgasturbine, ein in den Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine lieferndes Ladegebläse und eine Frischgasturbine, die über eine Absperrvorrichtung mit sie antreibendem Frischgas beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegebläse (1) und die Abgasturbine (3) zur Erzielung des bei maximaler Last der Brennkraftmaschine erforderlichen Ladedrucks ausgelegt sind und die Frischgasturbine (7) über die Absperrvorrichtung (14,15) in den Weg des zum Frischgaseinlaß der Brennkraftmaschine strömenden Frischgases einschaltbar ist.Turbocharger arrangement for an internal combustion engine, in particular for the prime mover of a motor vehicle, containing in a rotationally fixed connection an exhaust gas turbine fed by the exhaust gases of the internal combustion engine, one in the fresh gas inlet the internal combustion engine supplying the charging fan and a fresh gas turbine, which can be acted upon by fresh gas driving it via a shut-off device is, characterized in that the charging fan (1) and the exhaust gas turbine (3) to achieve the required at maximum load of the internal combustion engine Boost pressure are designed and the fresh gas turbine (7) via the shut-off device (14,15) in the path of the flowing to the fresh gas inlet of the internal combustion engine Fresh gas can be switched on. 2. Turboladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (IA, 15) im die Frischgasturbine einschaltenden Sinne bei Drehzahlen der Brennkraftmaschine angesteuert wird, bei denen im wesentlichen Saugbetrieb vorliegt.2. Turbocharger arrangement according to claim 1, characterized in that the shut-off device (IA, 15) in the sense that switches on the fresh gas turbine at speeds the internal combustion engine is controlled, in which essentially Suction operation is present. 3. Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischgasturbine (22) axial von der Frischgaseinlaßleitung (30) des Ladegebläses (21) durchsetzt ist.3. Turbocharger arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the Fresh gas turbine (22) axially from the fresh gas inlet line (30) of the supercharger (21) is interspersed. Vcii:l7CRder
aa Aufsichtsiats:Vcii: 17CRder
aa supervisory board: Vorstand: Dr. '■'· f· 1 C ■ H H.ii ;i, V: is, !.'c-'ifj.-r H ■ ι M-'' ■ ■„''",. \." ■ FTc ί Dt U;- ·. Um·-.! }, As D: )". Ff, · ht-Ί ■ P; y i.\'l ■". \ · -. \ Hall"! - C Dr !t-r. ρ ' R.-.li ?cl;w:-ty SiIz der Gcipllschaft: WollstaurgBoard of Directors: Dr. '■' · f · 1 C ■ H H.ii; i, V: is,!. 'C-'ifj.-r H ■ ι M-''■ ■ "''",. \. " ■ FTc ί Dt U; - · . Around·-.! }, As D:) ". Ff, · ht-Ί ■ P; y i. \ 'L ■". \ · -. \ Hall "! - C Dr! Tr. Ρ 'R.-.li? Cl; w: -ty SiIz der Gcipllschaft: Wollstaurg ΐ ·■<*. ΐ · ■ <*. p.'p. ' AmlSQoriciit WoifsL-jig HCä 715AmlSQoriciit WoifsL-jig HCä 715 4. Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischgasturbine (7) in einem Bypass (13) zum Ladegebläse (5) liegt.4. Turbocharger arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the Fresh gas turbine (7) lies in a bypass (13) to the charging fan (5). 5. Turboladeranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (14,15) zum Umschalten der Frischgaszufuhr zwischen Ladegebläse (5) und Frischgasturbine (7) ausgelegt ist.5. Turbocharger arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the Shut-off device (14,15) for switching the fresh gas supply between the charging fan (5) and fresh gas turbine (7) is designed. 6. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Ausgang des Ladegebläses (5) und dem Einlaß der Frischgasturbine (7) eine Rückführungsleitung (16) mit einer weiteren Absperrvorrichtung (17) erstreckt, die die Rückführungsleitung (16) nur bei Betriebsweisen der Brennkraftmaschine öffnet, in denen das Ladegebläse (5) Ladeluftüberschuß erzeugt.6. Turbocharger arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that that between the outlet of the charge blower (5) and the inlet of the fresh gas turbine (7) a return line (16) with a further shut-off device (17) which extends the return line (16) only when the Internal combustion engine opens, in which the charge fan (5) generates excess charge air. 7. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläserad (40) des Ladegebläses (41) und das Turbinenrad (42) der Frischgasturbine (43) zu einem Bauteil zusammengefaßt sind.7. Turbocharger arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the impeller (40) of the supercharger (41) and the turbine wheel (42) of the fresh gas turbine (43) are combined into one component.
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