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Die Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft des Weiteren eine aufladbare Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Es ist verbreitet, einen Austrittsdiffusor stromab einer Turbine, insbesondere einer Turboladerturbine, für eine Brennkraftmaschine, anzuordnen, um die kinetische Energie der Abströmung von der Turbine möglichst maximal in statische Druckenergie umzuwandeln. Die damit erreichte Absenkung des statischen Druckniveaus am Austritt der Turbine hat eine entsprechende Steigerung der Gasexpansion in der Turbinenstufe und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades zur Folge. Eine Umwandlung der kinetischen Energie wird allerdings aufgrund verschiedener Umstände erschwert: Das Strömungsfeld der Abströmung von der Turbine ist häufig inhomogen. Auch weisen Turbinen, insbesondere Turboladerturbinen, verbreitet einen hochdynamischen Arbeitsbereich auf, in welchem stark variierende Bedingungen der Zuströmung und Abströmung an die Turbine herrschen. Insbesondere wirken serienmäßige Turboladerturbinengehäuse wie Stoßdiffusoren, so dass der Wirkungsgrad leidet.
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Eine Klasse von Turbinen wird darüber hinaus mit einer Umgehungsleitung, häufig als Wastegate-Leitung bezeichnet, betrieben, welche stromab der Turbine mündet. Der an der Turbine, beispielsweise aufgrund der Wastegate-Ladedruckregelung bei einer Turboladerturbine, vorbeigeführte Abgasmassenstrom muss mit dem expandierten Gas der Abströmung hinter der Turbine zusammengeführt werden. Diese Zusammenführung verursacht bei den geläufig zum Einsatz gelangenden Austrittsgehäusen einen nicht unerheblichen Störeinfluss auf die Abströmung von der Turbine.
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Im Dokument
DE 197 08 000 A1 wird ein Turbolader in einem Gehäuse mit einer Umgehungsleitung der Turbine beschrieben. Die Turbine weist eine Spiralabströmung auf. Der Turbine ist ein ringförmiges Düsenelement als Austrittsdiffusor nachgeordnet, welches am Gehäuse befestigt ist. Die Umgehungsleitung umfasst eine Spiralrillenpassage, die um die äußere Umfangsoberfläche des Düsenelements gebildet ist, und wird an der äußeren Umfangsoberfläche vorbeigeführt. Dem durch die Umgehungsleitung geführten Abgasmassenstrom wird in der Folge eine Spiralströmung aufgeprägt, welche dieselbe Drehrichtung wie die Spiralabströmung der Turbine aufweist. In Konsequenz wird eine Störung der Abströmung durch den die Turbine umgehenden Abgasmassenstrom verringert.
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Aus der
DE 31 01 131 A1 ist ein Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines Abgasturboladers bekannt. Dabei wird der abgeblasene Bypassmassenstrom mit Hilfe einer Ejektordüse entspannt und in den Abgasmassenstrom so eingeleitet, dass der Gegendruck hinter der Turbine verringert wird. Zu diesem Zweck ist die Mündung des Bypasskanals in den Abgaskanal als Ejektordüse ausgebildet, welche den Bypassmassenstrom etwa parallel oder unter einem spitzen Winkel bis zu maximal etwa 30° in den Abgasmassenstrom der Turbine einleitet.
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Die
DE 102 60 778 A1 beschreibt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Abgasturbine im Abgasstrang. Dabei besitzt die Abgasturbine in einem Turbinengehäuse einen Abgassammelraum, dessen Abgas dem Turbinenrad über einen Turbineneintrittsquerschnitt zuführbar ist. Weiterhin ist ein den Turbineneintrittsquerschnitt überbrückender, den Abgassammelraum mit einem Austrittsbereich der Abgasturbine verbindender Abgas-Bypass vorgesehen. Die Abgasturbine bildet eine Pumpe für eine Gasfördereinrichtung, wobei eine der Gasfördereinrichtung zugeordnete Gasförderleitung in den Abgas-Bypass mündet.
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Aus der
DE 10 2007 017 843 A1 ist eine Turboladeranordnung mit einem Gehäuse bekannt, das mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist. Dabei weist die Turboladeranordnung einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader auf, bestehend jeweils aus wenigstens einem Verdichter und einer Turbine, wobei die beiden Wellen der Turbolader in einer Reihe in Längsrichtung zueinander angeordnet sind und wobei die Verdichter jeweils auf der Außenseite der jeweiligen Welle angeordnet sind und die Turbinen auf der Innenseite der jeweiligen Welle.
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Ferner ist aus der
DE 36 06 944 A1 ein Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, welches einen Gaseinlass und einen axialen Gasauslasskanal aufweist, bekannt. Dabei mündet eine den Gaseinlass mit dem Gasauslasskanal verbindende Bypassleitung in einer ringförmigen Aussparung in der Wand des Gasauslasskanals. Zur Steuerung der Bypassmenge dient ein ringförmiger Drehschieber, der in der Aussparung angeordnet ist und eine radiale Steueröffnung enthält, die durch Drehen des Drehschiebers mittels eines Betätigungsgestänges mit der Mündung 12 der Bypassleitung 8 in oder außer Deckung gebracht werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Störeinflüsse auf die Abströmung von einer Turbine zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine aufladbare Brennkraftmaschine, weist wenigstens eine Fluidleitung, eine in der Fluidleitung angeordneten Turbine und eine Umgehungsleitung, welche von der Fluidleitung stromauf der Turbine abzweigt und in die Fluidleitung stromab der Turbine mündet, auf. Eine Einmündungsstelle der Umgehungsleitung erstreckt sich nur über einen Azimutalwinkelbereich der Fluidleitung. Die Fluidleitung weist in Richtung stromab der Turbine eine unstetige Öffnungsrate im Azimutalwinkelbereich der Einmündungsstelle auf.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausführung wird eine strömungsgünstige Zusammenführung der Turbinenabströmung und der Umgehungsleitungsströmung weiter stromabwärts des Turbinenaustritts durch eine Unterteilung der Strömungskanals realisiert. Die Unterteilung lässt sich durch den (in Bezug auf die Rotationssymmetrie der Turbine unsymmetrisch ausgeführten Turbinenkanal mit einer unstetigen Öffnungsrate charakterisieren. Anders gesagt, die Fluidleitung öffnet sich sprungartig an oder durch die Einmündungsstelle der Umgehungsleitung in die Fluidleitung. Durch die Unterteilung der Fluidleitung und der Umgehungsleitung werden Störungen der Turbinenabströmung verringert oder verhindert. Durch den reduzierten Strömungswiderstand steigt der Wirkungsgrad, der Druckrückgewinn wird erhöht.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung wird die negative Wirkung eines Stoßdiffusors vermieden. Der Wirkungsgrad der Turbine wird weniger in Mitleidenschaft gezogen. Anders gesagt, erfindungsgemäß ist eine Leistungssteigerung eines Austrittsdiffusors ermöglicht. Diese ist besonders im Hinblick auf die bauraumbedingten Anforderungen unter relativ niedriger axialer Baulänge, gerade für Turboladerturbinen von Brennkraftmaschinen, vorteilhaft.
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In besonders vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung weist die Umgehungsleitung an der Einmündungsstelle eine Öffnung mit nichtrotationssymmetrischer Kontur auf. Des Weiteren oder alternativ dazu mündet die Umgehungsleitung in die Fluidleitung in einem spitzen Winkel in Richtung stromab der Turbine. Der Anordnung wird mit einer oder mehrerer dieser Maßnahmen eine dem Strömungsproblem angepasste optimierte Form beziehungsweise Lage gegeben.
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Auch kann die Fluidleitung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung wenigstens im Bereich der Einmündungsstelle einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton vergrößernden Innenquerschnitt aufweisen. Das zusätzlich für das Fluid zur Verfügung gestellte Volumen erleichtert die gewünschte Umwandlung der kinetischen Energie in statische Druckenergie.
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Erfindungsgemäß umfasst die Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine ein Austrittsdiffusor, welcher auch als Austrittsdiffusionsvorrichtung bezeichnet wird: Der Austrittsdiffusor der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist stromab der Turbine in der Fluidleitung angeordnet. Dabei umfasst der Austrittsdiffusor einen Nabenkörper und die Einmündungsstelle der Umgehungsleitung liegt im Bereich des Nabenkörpers, insbesondere in der Nähe des Nabenkörpers, in der Wand der Fluidleitung. Ein konkretes Verhältnis des Nabenquerschnitts zum damit gekoppelten Flächenverhältnis ist mit Hilfe von numerischen Berechnungen hinsichtlich einer möglichst großen erzielbaren Druckerhöhung unter stabilem Betriebsverhalten auszulegen.
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Erfindungsgemäß weist der Nabenkörper zwei profilierte Streben auf, welche sich in Wesentlichen im Winkelsektor des Azimutalwinkelbereichs, genauer jeweils eine an den Grenzen des Winkelsektors, der Fluidleitung, in welchem sich die Einmündungsstelle befindet, in Richtung Innenwand der Fluidleitung erstrecken.
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Des Weiteren kann der Nabenkörper wenigstens im Bereich der Einmündungsstelle einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton erweiternden Außenquerschnitt aufweisen. Die Erweiterung kann insbesondere korreliert zum sich in Richtung stromab der Turbine monoton vergrößernden Innenquerschnitt der Fluidleitung erfolgen.
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Aufgrund des erfindungsgemäß unsymmetrischen Turbinenkanals ist der Querschnitt des Nabenkörpers senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (oder Orientierung) der Fluidleitung für die Einhaltung der numerisch ermittelten Geometrie variabel gestaltet.
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Es ist darüber hinaus oder alternativ dazu vorteilhaft, wenn der Nabenkörper an seiner der Turbine abgewandten Seite eine Abrisskante hat. Auf diese Weise wird die Nachlaufströmung eingegrenzt. Dieses ist besonders vorteilhaft bei Ausführungsformen mit geringer axialer Baulänge.
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Zum Einsatz kann eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung mit großem Vorteil bei einer Brennkraftmaschine, konkreter bei einer aufladbaren Brennkraftmaschine, gelangen. Mit anderen Worten, bei einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine kann die Turbine Teil eines Abgasturboladers sein. Der Abgasturbolader kann insbesondere ein Wastegate-Turbolader sein. Die erfindungsgemäß erreichte Leistungssteigerung kann somit für eine Turbine mit einem hochdynamischen Arbeitsbereich genutzt werden.
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Besonders im Hinblick auf eine möglichst platzsparende Integration ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine in einem Gehäuseteil aufgenommen ist. Anders gesagt, die Turbinenanordnung kann integriert, insbesondere einteilig ausgeführt sein.
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Die Turbine in der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist bevorzugt eine Gasturbine.
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Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine aufladbare Brennkraftmaschine. Eine erfindungsgemäße aufladbare Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Turbinenanordnung mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung auf. Besonders bevorzugt sind die Ausführungsformen, in welchen die Fluidleitung Teil des Abgasstrangs der aufladbaren Brennkraftmaschine ist.
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Die Brennkraftmaschine kann Teil eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines schienenlosen Landkraftfahrzeugs, zum Beispiel eines Personenkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs, sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung in einer Brennkraftmaschine,
- 2 eine dreidimensionale Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Gehäuseteils der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung mit der Einmündungsstelle der Umgehungsleitung,
- 3 eine Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform der 2 mit Details der Umgehungsleitung,
- 4 eine Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform der 2 aus Richtung stromab der Turbine, und
- 5 ein Schnittbild entlang der Linie A-A der in der 4 gezeigten Ansicht.
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In der 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10 in einer aufladbaren Brennkraftmaschine 12 dargestellt. Die Turbinenanordnung 10 umfasst eine Fluidleitung 14, in welcher eine Turbine 16 angeordnet ist, und eine Umgehungsleitung 18, welche von der Fluidleitung 14 stromauf der Turbine 16 abzweigt und in die Fluidleitung 14 stromab der Turbine 16 mündet. Nicht im Detail zeichnerisch dargestellt, ist eine Vorrichtung zur Regelung des Massenstroms durch die Umgehungsleitung 18. Die Turbinenanordnung 10 bildet zusammen mit einem von der Turbine 16 angetriebenen Verdichter 24 einen Abgasturboladers 20 der Brennkraftmaschine 12. Sie befindet sich in einem Gehäuse 22. Alternativ zur zeichnerischen Darstellung kann der Verdichter 24 auch in einem Gehäuse 22 für den gesamten Abgasturbolader 20 aufgenommen sein.
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Der Verdichter 24 befindet sich in einem Frischgasstrang 26. Der Verdichter 24 kann in bestimmten Ausführungsformen ebenfalls eine Umgehungsleitung aufweisen. Gegebenenfalls verdichtetes Frischgas wird über ein Saugrohr 28 des Frischgasstrangs 26 dem Motor 30, hier beispielhaft eine Hubkolbenmaschine mit vier Zylindern (durch die Kreise symbolisiert), zugeführt. Der Motor 30 kann aufgeladen betrieben werden. Abgas wird vom Motor 30 der Brennkraftmaschine 12 über einen Abgasstrang 34, konkret zunächst über einen Abgaskrümmer 32 und dann über die Fluidleitung 14 abgeführt. Das Abgas treibt die Turbine 16 der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10.
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Die aufladbare Brennkraftmaschine 12 ist in der in der 1 gezeigten Ausführungsform ein Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs.
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Die 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Gehäuseteils 38 der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10 mit der Einmündungsstelle 40 der Umgehungsleitung 18 in die Fluidleitung 14 stromab der hier nicht zeichnerisch dargestellten Turbine. Die Einmündungsstelle 40 ist nicht vollständig rotationssymmetrisch (nicht 360 Grad Azimutalwinkel) um die Haupterstreckungsrichtung der Fluidleitung 14 herum angeordnet, sondern erstreckt sich nur auf einem Azimutalwinkelsegment, im Azimutalwinkelbereich 42 der Fluidleitung. Dieser Azimutalwinkelbereich 42 hat eine Winkelgröße kleiner als 180 Grad, insbesondere kleiner als 90 Grad, bevorzugt kleiner als 60 Grad. Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform ein Austrittsdiffusor 44 im Gehäuseteil 38 angeordnet. Der Austrittsdiffusor 44 umfasst einen Nabenkörper 46, welcher zentral in der Fluidleitung 14 angeordnet ist. Zwei Streben 48 erstrecken sich vom Nabenkörper 46 zur inneren Wand des Gehäuseteils 38. Die Streben 48 verlaufen in etwa in Richtung der Azimutalwinkel der Endpunkte des Azimutalwinkelbereichs 42 der Einmündungsstelle 40 der Umgehungsleitung 18.
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Die 3 zeigt Details der Umgehungsleitung 18 der vorteilhaften Ausführungsform der 2. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass die Umgehungsleitung 18 unter einem Zuführwinkel 50 an die Fluidleitung 14 gelangt und in diese im Azimutalwinkelbereich 42 mündet. Der Zuführwinkel 50 ist in dieser Ausführungsform ein spitzer Winkel, insbesondere kleiner als 45 Grad, bevorzugt kleiner als 30 Grad. Auf diese Weise werden starke Richtungsänderung der Strömung in der Umgehungsleitung 18 vermieden.
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In 4 ist eine Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform der 2 aus Richtung stromab der Turbine zu sehen. In der Fluidleitung 14, in welche die Umgehungsleitung 18 an der Einmündungsstelle 40 mündet, ist der Nabenkörper 46 mit den zwei Streben 48 gezeigt. Das Gehäuseteil 38 und dessen angesprochene innere Struktur sind spiegelsymmetrisch zur sich senkrecht zum Zeichnungsblatt erstreckende Ebene, in welcher die Linie A-A liegt.
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Die 5 ist ein Schnittbild entlang der Linie A-A der in der 4 gezeigten Ansicht. Die Fluidleitung 14 erstreckt sich vom linken Teil der 5 (stromaufwärts) zum rechten Teil der 5 (stromabwärts) im Gehäuseteil 38 mit einem sich monoton vergrößernden Innenquerschnitt von einem ersten Innenquerschnitt 52 zu einem zweiten Innenquerschnitt 54. Der zweite Innenquerschnitt 54 ist deutlich größer als der erste Innenquerschnitt 52. Bevorzugt kann er größer als das 1,5 fache, bevorzugt größer als das 1,8 fache des ersten Innenquerschnitts 52 sein. Diese Aufweitung der Fluidleitung 14 erfolgt auf einer Längsstrecke, die etwa doppelt so groß wie der erste Innenquerschnitt 52 ist. Der Nabenkörper 46 mit den Streben 48 weist ebenfalls einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton erweiternden Querschnitt, genauer Außenquerschnitt, auf: Er erweitert sich von einem ersten Außenquerschnitt 56 zu einem zweiten Außenquerschnitt 58. Der zweite Außenquerschnitt 58 ist an der Abrisskante 60 erreicht.
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Die Erweiterung des Außenquerschnitts des Nabenkörpers 46 erfolgt im Wesentlichen über dieselbe Längsstrecke der Fluidleitung 14, über welche sich deren Innenquerschnitt erweitert. Darüber hinaus erweitert sich der Außenquerschnitt in dem Maße, wie sich der Innenquerschnitt erweitert. Anders gesagt, der Abstand zwischen der Außenfläche des Nabenkörpers 46 und der Innenfläche des Gehäuseteil 38 bleibt im Wesentlichen konstant über die Längsstrecke der Erweiterung.
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Einzige erfindungsgemäße Ausnahme dazu bildet die Einmündungsstelle 40 der Umgehungsleitung 18: Hier weist die Fluidleitung 14 in Richtung stromab der Turbine eine unstetige Öffnungsrate im Azimutalwinkelbereich der Einmündungsstelle 40 auf. Diese Unstetigkeit ist von der sprunghaften Erweiterung an der Sprungstrecke 62 bewirkt. Die Umgehungsleitung 18 mündet in die Fluidleitung 14 in einem spitzen Winkel in Richtung, bevorzugt im Wesentlich parallel zur Richtung der Erstreckung der Fluidleitung 14.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinenanordnung
- 12
- Brennkraftmaschine
- 14
- Fluidleitung
- 16
- Turbine
- 18
- Umgehungsleitung
- 20
- Abgasturbolader
- 22
- Gehäuse
- 24
- Verdichter
- 26
- Frischgasstrang
- 28
- Saugrohr
- 30
- Motor
- 32
- Abgaskrümmer
- 34
- Abgasstrang
- 36
- Kraftfahrzeug
- 38
- Gehäuseteil
- 40
- Einmündungsstelle
- 42
- Azimutalwinkelbereich
- 44
- Austrittsdiffusor
- 46
- Nabenkörper
- 48
- Strebe
- 50
- Zuführwinkel
- 52
- erster Innenquerschnitt
- 54
- zweiter Innenquerschnitt
- 56
- erster Außenquerschnitt
- 58
- zweiter Außenquerschnitt
- 60
- Abrisskante
- 62
- Sprungstrecke
