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Die Erfindung betrifft eine Turbine für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Turbinen werden in Brennkraftmaschinen vorwiegend im Abgastrakt eingesetzt, um Strömungsenergie eines Fluides der Brennkraftmaschine, insbesondere des Abgases, in mechanische Energie zu wandeln. Die aus dem Abgas gewonnene mechanische Energie wird beispielsweise mittels einer Welle einem Verdichter zugeführt, welcher dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet ist und den Ladedruck der Brennkraftmaschine erhöht. Ein anderes Beispiel ist die weitergehende Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, welche dann gespeichert oder direkt elektrischen Verbrauchern zugeführt wird.
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Die Umwandlung der Strömungsenergie in mechanische Energie geschieht mittels eines Turbinenrads, welches durch die Strömung in Drehung versetzt wird. Das Turbinenrad stellt dabei aber auch eine Störung der Strömung dar, wobei die Strömung den komplexen Körper des Turbinenrads umströmen muss und durch die Drehung des Turbinenrads eine zusätzliche Bewegungskomponente in Form eines Dralls erhält.
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Eine Beeinflussung einer Strömung liegt auch bei einem Verdichter einer Brennkraftmaschine vor, wobei mittels eines durch mechanische Energie in Drehung versetzten Verdichterrads die Energie der Strömung erhöht wird. Aus den Schriften
DE 10 2009 014 279 A1 und
WO 2008/155400 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die bezüglich der Strömung stromauf eines Verdichterrads angeordnet werden. Dabei weisen die Vorrichtungen zentral in der Strömung angeordnete Körper auf, welche sich durch einen niedrigen Strömungswiderstand auszeichnen. Diese Körper befinden sich demnach stromauf des zugeordneten Rads und weisen eine Spitze auf, welche entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
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Die Schrift
DE 10 2009 014 279 A1 zeigt darüber hinaus eine Turbine einer Brennkraftmaschine, welche in Richtung von einem Turbineneinlass zu einem Turbinenauslasskanal von einer Strömung durchsetzt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine für eine Brennkraftmaschine derart zu bauen, dass eine Abströmung über ein Turbinenrad verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbine 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 Turbine für eine Brennkraftmaschine ist in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet und wandelt Strömungsenergie eines Fluids der Brennkraftmaschine in mechanische Energie um. Das Fluid ist insbesondere Abgas der Brennkraftmaschine, welches durch die Verbrennung von Kraftstoff unter Beimischung von Luft in den Brennräumen der Brennkraftmaschine entsteht.
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Die Turbine weist ein Turbinenrad mit Schaufeln, stromaufwärts der Turbine einen Turbineneinlass und stromabwärts der Turbine einen Turbinenauslasskanal auf. Das Fluid strömt ausgehend von dem Turbineneinlass durch die Schaufeln des Turbinenrads in den Turbinenauslasskanal. Dabei wird das Turbinenrad durch die geometrische Gestaltung der Turbinenschaufeln in Drehung versetzt und somit ein Teil der Strömungsenergie des Fluids in mechanische Energie umgewandelt, welche von einer Welle, auf der das Turbinenrad angeordnet ist, abgegriffen werden kann. Das Turbinenrad kann insbesondere als ein Radialrad gestaltet sein, wobei der Turbineneinlass das Turbinenrad ringförmig und radial umschließend angeordnet ist. Das Turbinenrad kann weiter beispielsweise als ein Axialrad oder auch als Mischform zwischen Radial- und Axialrad gestaltet sein. Der Turbine stromabwärts nachfolgend kann eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases, insbesondere ein Oxidationskatalysator, angeordnet sein. Der Turbinenauslass kann in diesem Fall gleichzeitig auch als Eintritt der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung ausgestaltet sein.
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Stromabwärts des Turbinenrads ist ein Strömungskörper an einem oder mehreren Befestigungselementen angeordnet. Die Befestigungselemente sind wiederum an der Innenwand des Turbinenauslasskanals befestigt. Der Strömungskörper ist im Wesentlichen mittig in dem Turbinenauslasskanal angeordnet. Insbesondere weist der Schwerpunkt des Strömungskörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand zu den von dem Schwerpunkt aus betrachtet quer zur Strömungsrichtung des Fluids liegenden Punkten der Innenwand des Turbinenauslasskanals auf. Beispielsweise kann der Abstand zu den jeweiligen Punkten sich nur um 10 % unterscheiden oder genau gleich sein. Weiterhin zeichnet sich ein im Wesentlich mittig angeordneter Strömungskörper dadurch aus, dass die freie, der Strömung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche zwischen Innenwand des Turbinenauslasskanals und Strömungskörper größer als der größte Querschnitt des Strömungskörpers quer zur Strömungsrichtung ist.
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Beispielsweise kann der Strömungskörper bei einem ungekrümmten Turbinenauslasskanal die Form eines Projektils aufweisen. Diese Form ist dadurch charakterisiert, dass ein kreisförmiger Querschnitt sich in einem Hauptbereich zunächst axial bei gleichbleibendem Durchmesser erstreckt und dann in einem Endbereich mit einer konvexen Krümmung spitz ausläuft oder auch einen im Wesentlichen runden Kopf als Endbereich aufweist. Variationen der Form können eine ebene Kreisfläche anstelle einer Spitze des Endbereichs oder auch eine kegelförmige Spitze des Endbereichs, eine geringe Vergrößerung des Durchmessers im Hauptbereich, eine geringe Verkleinerung des Durchmessers im Hauptbereich und/oder eine Abweichung von dem kreisförmigen Querschnitt zu einem gering von der Kreisform abweichenden, polygonalen oder ellipsoiden Querschnitt sein. Der Strömungskörper kann auch einen Anfangsbereich aufweisen, welcher das stromaufwärts liegende Ende des Strömungskörpers charakterisiert. Der Anfangsbereich kann beispielsweise platt als ebene Kreisfläche oder auch als im Wesentlichen runder Kopf ausgebildet sein.
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In anderen Fällen, wenn der Turbinenauslasskanal eine gekrümmte und/oder sich im Durchmesser erweiternde oder verkleinernde Gestalt aufweist, kann der Strömungskörper derart ausgebildet sein, dass er der Gestalt des Turbinenauslasskanals angepasst ist. Beispielsweise kann der Strömungskörper ausgehend von der für einen ungekrümmten Turbinenauslasskanal beschriebenen Gestalt des Strömungskörpers verformt sein, insbesondere kann diese Verformung der Abweichung der Gestalt des Turbinenauslasskanals von der Gestalt eines ungekrümmten Turbinenauslasskanals entsprechen. Das heißt, dass bei einer Krümmung des Turbinenauslasskanals in eine Richtung der Strömungskörper ebenfalls eine Krümmung in diese Richtung aufweist oder dass bei einer Durchmesseraufweitung des Turbinenauslasskanals der Strömungskörper in diesem Strömungsbereich eine Querschnittsvergrößerung aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Turbine weist im mittleren Strömungsfaden, das heißt im zentralen Bereich des Querschnitts des Turbinenauslasskanals, eine geringere Ablösung der Strömung im Vergleich zu einer Turbine ohne Strömungskörper auf. Bezüglich der Strömungsverluste stromabwärts des Turbinenrads wird durch die erfindungsgemäße Turbine eine Verbesserung erzielt. Insbesondere bewirkt eine erfindungsgemäße Turbine bei Anordnung eines Katalysators zur Abgasreinigung stromabwärts der Turbine eine Verbesserung der Anströmung des Katalysators. Durch Berechnungen konnte bewiesen werden, dass eine erfindungsgemäße Turbine den Homogenitätsindex der Anströmung des Katalysators erhöht, das heißt, dass der Querschnitt des Katalysators gleichmäßiger angeströmt wird.
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Der Strömungskörper kann wahlweise als Hohlkörper oder auch als massiver Körper ausgestaltet sein. Für die Materialauswahl gibt es diverse Werkstoffe, welche die notwendige Eignung für eine hohe Abgastemperatur erfüllen. Vorzugsweise können aufgrund der hohen Temperaturen metallische oder keramische Werkstoffe eingesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Gestaltung der erfindungsgemäßen Turbine besteht darin, dass der Strömungskörper als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung weist der Strömungskörper in zur Strömungsrichtung rechtwinkligen Ebenen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die kreisförmigen Querschnitte verursachen sehr geringe Strömungsverluste und stellen somit ein zusätzliches Mittel dar, die Abströmung des Turbinenrads weiter zu verbessern.
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Bevorzugt ist eine Mittelachse des rotationssymmetrischen Strömungskörpers identisch mit einer Mittelachse des Turbinenrads. Insbesondere, wenn der Turbinenauslasskanal einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt aufweist, kann hierdurch bewirkt werden, dass der Abstand eines Oberflächensegments des Strömungskörpers zu einem gegenüberliegen Oberflächensegment der Innenwand des Turbinenauslasskanals über den vollständigen Umfang des Strömungskörpers konstant ist. Der verbleibende Strömungsquerschnitt nach Anordnung des Strömungskörpers kann folglich als konzentrischer Ringquerschnitt und somit besonders strömungsgünstig ausgebildet werden.
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Die strömungsbeeinflussenden Eigenschaften des Strömungskörpers lassen sich weiter verbessern, indem die Funktion eines Durchmessers des Strömungskörpers über dem Weg entlang der Mittelachse des Strömungskörpers in Strömungsrichtung des Fluides monoton fallend ist. In anderen Worten bleibt der Querschnitt des Strömungskörpers in Strömungsrichtung konstant oder verkleinert sich. Insbesondere bei einem kreisförmigen Querschnitt des Turbinenauslasskanals wird dadurch bewirkt, dass der im Kanal für das Fluid verbleibende Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung konstant bleibt oder zunimmt, wodurch die resultierende Homogenität der Strömung weiter erhöht wird.
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Der Übergang der Strömung von dem Turbinenradkörper auf den Strömungskörper kann besonders gleichmäßig erfolgen, wenn der größte Durchmesser des Strömungskörpers 90 bis 105 %, insbesondere 100 %, des kleinsten Durchmessers der Schaufeln des Turbinenrads bezüglich der Mittelachse des Turbinenrads beträgt. Da die Schaufeln des Turbinenrads üblicherweise keine kreisförmigen Konturen um die Mittelachse des Turbinenrads bilden, ist in diesem Zusammenhang mit dem kleinsten Durchmesser der Durchmesser des Kreises gemeint, welcher dadurch gebildet wird, dass durch den am geringsten von der Mittelachse beabstandeten Punkt auf einer Schaufel des Turbinenrads ein Kreis um die Mittelachse des Turbinenrads konstruiert wird.
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Radial innen bezüglich der Schaufeln weisen Turbinenräder üblicherweise einen massiven Nabenkörper auf, an welchem die Schaufeln angebunden sind. Da die Nabe massiv ausgebildet ist, wird das Turbinenrad folglich lediglich zwischen den Schaufeln von dem Fluid durchströmt. Mittels der Bestimmung des oben beschriebenen kleinsten Durchmessers der Schaufeln kann der radial am weitesten innenliegende Strömungsfaden im Turbinenrad bestimmt werden. Durch die Ausgestaltung des Strömungskörpers mit einem größten Durchmesser, welcher 90 bis 105 %, insbesondere 100 %, dieses kleinsten Schaufeldurchmessers beträgt, kann vorteilhaft ein weitestgehend ungestörter Übergang der innenliegenden Strömungsfäden von dem Turbinenrad zu dem Strömungskörper ermöglicht werden.
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Eine weitere Verbesserung dieses Übergangs der Strömung von dem Turbinenrad auf den Strömungskörper kann dadurch erzielt werden, dass ein axialer Abstand des Strömungskörpers zum Turbinenrad bezüglich der Mittelachse des Strömungskörpers kleiner als 20 %, insbesondere kleiner als 5 %, des größten Durchmessers des Strömungskörpers ist. Ein Spalt zwischen Strömungskörper und Turbinenrad stellt für die Strömung eine ungünstige Störkontur dar, so dass die Verringerung des Spalts zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist.
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Um eine negative Beeinflussung der Strömung im verbleibenden Strömungsquerschnitt, insbesondere eine Reduktion des verbleibenden Querschnitts, zu minimieren, besteht eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Turbine darin, dass die Befestigungselemente als Streben ausgebildet sind, deren Länge mindestens das Fünffache von deren Dicke beträgt.
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Eine alternative gelungene Ausführung sieht vor, dass die Befestigungselemente als Leitbleche ausgebildet sind, deren Erstreckung in Strömungsrichtung des Fluides mindestens das Vierfache von deren Erstreckung in tangentialer Richtung zum Umfang des Strömungskörpers beträgt. Mit anderen Worten sind die Befestigungselemente als flächige Körper ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung erstrecken. Durch diese Ausgestaltung kann den eigentlich nur zur Befestigung des Strömungskörpers dienenden Elementen überraschend einfach eine weitere Funktion verliehen werden. Die flächigen Befestigungselemente dienen zur Reduzierung eines Dralls in der Strömung, die dieser durch das Durchströmen des Turbinenrads auferlegt wurde. Die Reduzierung des Dralls ist eine zusätzliche Begünstigung großer Homogenität der Strömung und geringer Strömungsverluste.
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Eine vorteilhafte Gestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Turbine weist genau drei Befestigungselemente auf, die um die Mittelachse des Strömungskörpers in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Diese Variante stellt eine gute Lösung des Konfliktes zwischen filigranen Befestigungselementen, die die Strömungsverluste möglichst gering halten, und einer ausreichend stabilen Befestigung des Strömungskörpers dar. Der Vorteil dieser Variante ist, dass unabhängig von der Richtung einer belastenden Kraft auf den Strömungskörper jederzeit zumindest eins der Befestigungselemente mit einer bezüglich der Festigkeit günstigen Zugbelastung beansprucht wird.
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Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Turbine aufweist, bereit.
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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:
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1 Eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine
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2 Eine Seitenansicht der Ausführungsform der 1 aus der in 1 gekennzeichneten Betrachtungsrichtung A
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3 Eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine
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4 Eine Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Die Turbine 1 weist einen radial angeordneten Turbineneinlass 4 und einen axial verlaufenden Turbinenauslasskanal 5 auf. Das Fluid der Brennkraftmaschine strömt von dem Turbineneinlass 4 in Richtung des Turbinenauslasskanals 5 und durchströmt dabei das Turbinenrad 2. Das Turbinenrad 2 weist mehrere Schaufeln 3 auf, welche so geformt sind, dass das Turbinenrad 2 durch die Strömung in Rotation um die Mittelachse 9 versetzt wird.
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Stromabwärts des Turbinenrads 2 ist ein Strömungskörper 6 angeordnet. Der Strömungskörper 6 ist an Befestigungselementen 7, welche in dieser Ausführungsform als Streben ausgebildet sind, befestigt. Die Befestigungselemente 7 sind wiederum an der Gehäusewand des Turbinenauslasskanals 5 befestigt. Der Strömungskörper 6 ist ein Rotationskörper, dessen Mittelachse 8 koaxial zu der Mittelachse 9 des Turbinenrads 2 ist. Der Strömungskörper 6 ist gering von dem Turbinenrad 2 beabstandet und weist einen Durchmesser auf, welcher sich in Strömungsrichtung monoton fallend verringert, bis dieser Null erreicht und der Strömungskörper 6 endet.
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Bereits erläuterte Entitäten werden in den Figuren, auf die nachfolgende Ausführungsformen Bezug nehmen, mit den identischen Bezugszeichen gemäß der 1 bezeichnet und gegebenenfalls nicht ein weiteres Mal erläutert.
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Die 2 zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform der 1 aus der in 1 gekennzeichneten Betrachtungsrichtung A. Gut zu erkennen sind die kreisförmigen Querschnitte des Turbinenauslasskanals 5 und des Strömungskörpers 6. Der Strömungskörper 6 ist mit genau drei Befestigungselementen 7 an der Gehäusewand des Turbinenauslasskanals 5 befestigt. Die Befestigungselemente 7 sind gleichmäßig winkelverteilt, so dass für das gezeigte Ausführungsbeispiel jeweils ein Winkel von 120° zwischen benachbarten Befestigungselementen 7 liegt. Die Befestigungselemente sind sehr dünn ausgeführt, so dass zwischen der Wand des Turbinenauslasskanals 5 und dem Strömungskörper 6 ein möglichst großer Strömungsquerschnitt verbleibt.
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Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der der 1 dadurch, dass die Befestigungselemente 7 als Leitbleche ausgebildet sind, um den Drall aus der Strömung zu nehmen. Dazu sind die Befestigungselemente 7 flächig und in Strömungsrichtung ausgerichtet. Eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß der 3 entspricht durch die flächige Form der Befestigungselemente 7 exakt der Seitenansicht der Ausführungsform der 1, so dass auch durch die Leitbleche eine möglichst geringe Reduktion des Strömungsquerschnitts verursacht wird.
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Die 4 zeigt eine Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Wie die vorhergehenden Ausführungsbeispiele weist die Turbine 1 einen Turbineneinlass 4 und ein Turbinenrad 2 mit Schaufeln 3 auf. Das dritte Ausführungsbeispiel zeigt als Besonderheit einen Turbinenauslasskanal 5, welcher sowohl eine Aufweitung des Durchmessers als auch eine Krümmung aufweist. Ausgehend von dem Turbinenrad 2 in Richtung stromabwärts weitet sich der Turbinenauslasskanal 5 zunächst allmählich auf und mündet dann in Form einer erheblichen Aufweitung und Krümmung in einen Eintritt eines Oxidationskatalysators 10.
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Der Strömungskörper 6 ist dieser Form des Turbinenauslasskanals 5 angepasst. In Richtung stromabwärts beginnt der Strömungskörper 6 mit einem Anfangsbereich in Form eines runden Kopfes. Alternativ kann der Anfangsbereich auch zusätzlich eine Abplattung aufweisen. Im Anschluss an den Anfangsbereich schließt sich der Hauptbereich an, welcher aus kreisförmigen Querschnitten besteht und sich – in Anpassung an den Turbinenauslasskanal 5 – zunächst im Querschnitt vergrößert und dann wieder verjüngt. Ebenfalls in Anpassung an den Turbinenauslasskanal 5 ist der Strömungskörper 6 nur zu Beginn des Hauptbereichs ein rotationssymmetrischer Körper und folgt dann der Krümmung des Turbinenauslasskanals 5. Abschließend folgt ein Endbereich des Strömungskörpers 6, welcher aus einer kegelförmigen Spitze besteht. Alternativ kann der Endbereich des Strömungskörpers 6 auch als platte Fläche ausgebildet sein, welche parallel zur Eintrittsfläche des Oxidationskatalysators 10 steht. Die gesamte Oberfläche des Strömungskörpers 6, mit Ausnahme der Flächen und/oder Spitzen des Anfangsbereichs und Endbereichs ist stetig differenzierbar. Mit anderen Worten weist die Oberfläche keine Sprünge oder Knicke auf.
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Die Befestigungselemente 7 sind in 4 nicht dargestellt, da diese den Befestigungselementen 7 aus den 1 bis 3 entsprechend gewählt werden können und auf diese in der diesen Figuren zugeordneten Beschreibung bereits ausreichend eingegangen wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbine
- 2
- Turbinenrad
- 3
- Schaufel
- 4
- Turbineneinlass
- 5
- Turbinenauslasskanal
- 6
- Strömungskörper
- 7
- Befestigungselement
- 8
- Mittelachse
- 9
- Mittelachse
- 10
- Oxidationskatalysator
- A
- Betrachtungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009014279 A1 [0004, 0005]
- WO 2008/155400 A1 [0004]
