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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anschlaganordnung in einer Ansaug- und Abgasanlage eines Verbrennungsmotors umfassend einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Ansaug- und Abgasanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7 und ein Kraftfahrzeug umfassend solch ein System.
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Hintergrund und Stand der Technik
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Turbolader werden häufig in von Verbrennungsmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen verwendet, um die Kraftstoffeffizienz und die Leistung des Motors durch Zuführen von zusätzlicher Luft zu seinen Brennräumen zu erhöhen. Ein Turbolader umfasst ein Verdichterrad und ein Turbinenrad, die durch eine drehbare Welle, die in einer Wellenlageranordnung gelagert ist, verbunden sind. Eine Gehäusebaugruppe umfassend ein Turbinengehäuse, ein Lagergehäuse und ein Verdichtergehäuse umgibt die sich drehenden Komponenten und leitet die Gasströme durch den Turbolader. Das Turbinenrad ist im Abgasteil des Motors angeordnet und wird somit vom Abgasstrom angetrieben. Die Drehung des Turbinenrads bewirkt eine Drehung des Verdichterrads, das in einem Luftansaugteil des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Die Drehung des Verdichterrads verdichtet die den Brennräumen zugeführte Luft und erhöht dadurch die zugeführte Luftmenge.
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Die sich drehenden Teile des Turboladers, das heißt das Turbinenrad und das Verdichterrad, können erheblichen Fliehkräften unterworfen sein und somit auch hohen Materialbelastungen während des Betriebs des Motors. Mögliche Defekte im Material der sich drehenden Teile können dadurch zu Schäden an diesen Teilen und in schweren Fällen zu einem Defekt des Verdichterrads führen. Schäden können ebenfalls beispielsweise durch Verschleiß, Ermüdung oder Partikel, die in das Verdichtergehäuse aufgrund eines beschädigten Ansaugfilters stromaufwärts vom Verdichterrad eindringen, verursacht werden. Wenn ein Verdichterrad in Folge solcher Schäden ausfällt, geht das Gleichgewicht zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad verloren, was zu einem Defekt des Turbinenrads und/oder Schäden am Turbinengehäuse führen kann, da das Turbinenrad oder von diesem abgelöste Teile das Turbinengehäuse berühren. Dies wiederum kann dazu führen, dass Öl vom Turbolader in die Abgasanlage stromabwärts vom Turbinenrad eindringt. Ferner können abgelöste Teile vom Turbinenrad den Turbolader verlassen und dem Strom von Abgasen folgen.
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Stromabwärts vom Turbolader sind Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mittlerweile häufig mit teuren Abgasnachbehandlungsanlagen, umfassend beispielsweise Partikelfilter, Oxidationskatalysatoren und Selective-Catalytic-Reduction-(SCR- )Anlagen, ausgestattet, um zunehmend strengere Abgasvorschriften zu erfüllen. Die Nachbehandlungsanlagen sind im Allgemeinen äußerst empfindlich und Öl sowie vom Turbinenrad abgelöste Teile können schwere Schäden an solchen Anlagen anrichten. Der Austausch der Komponenten von Nachbehandlungsanlagen ist im Allgemeinen teuer und daher ist es wünschenswert, durch einen defekten Turbolader verursachte Schäden zu vermeiden.
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US 2013 / 0 294 947 A1 offenbart einen Turbolader umfassend eine Anschlaganordnung zum axialen Sichern der Welle und des Turbinenrads bei einem Defekt des Verdichterrads, wodurch die Teile der stromabwärts vom Verdichterrad angeordneten Abgasanlage vor Schäden geschützt werden. Die Anschlaganordnung ist im Lagergehäuse zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet. Bei bestimmten Arten von Turboladerdefekten ist jedoch die offenbarte Anschlaganordnung ungeeignet, um die Bewegung des Turbinenrads in Richtung des Abgasstroms zu verhindern und ebenfalls um Schäden stromabwärts vom Turbinenrad, beispielsweise an einer Nachbehandlungsanlage, zu verhindern. Ferner ist die offenbarte Anschlaganordnung relativ komplex, da sie in das Lagergehäuse des Turboladers eingebaut ist. Dies macht die Anschlaganordnung ebenfalls unflexibel, da sie gegebenenfalls unerwünschten Belastungen des Turboladers ausgesetzt ist.
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US 2014 / 0 165 590 A1 offenbart ein Gasturbinentriebwerk, das umfasst: eine Schubdüsenbaugruppe; eine Rotorbaugruppe; und einen Halter. Der Halter umfasst einen Mittelkörper; eine Vielzahl von Streben, die mit dem Mittelkörper verbunden sind und sich von diesem nach außen und axial hinter diesem erstrecken; und einen Ring, der mit der Vielzahl von Streben verbunden ist, wobei der Ring bezogen auf eine Luftströmungsrichtung durch das Gasturbinentriebwerk hinter dem Mittelkörper positioniert ist. Der Halter ist stromabwärts von der Rotorbaugruppe innerhalb der Schubdüsenbaugruppe positioniert ist, wobei der Mittelkörper und die Vielzahl von Streben innerhalb eines Strömungsweges des Gasturbinentriebwerks positioniert sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer alternativen und in wenigstens einigen Aspekten verbesserten Möglichkeit des Schützens von Teilen einer stromabwärts vom Turbinenrad eines Turboladers angeordneten Abgasanlage wie einer Abgasnachbehandlungsanlage. Insbesondere besteht eine Aufgabe im Bereitstellen einer Anschlaganordnung, die wirksam und zu relativ geringen Kosten ein Austreten von Öl vom Turbolader in die Abgasanlage stromabwärts vom Turbinenrad sowie das Eindringen von unerwünschten Partikeln vom Turbolader in eine Abgasnachbehandlungsanlage verhindern kann. Eine weitere Aufgabe besteht im Bereitstellen einer robusten und in wenigstens einigen Aspekten verbesserten Ansaug- und Abgasanlage umfassend eine Nachbehandlungsanlage und einen Turbolader.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden eine Anschlaganordnung, eine Ansaug- und Abgasanlage eines Verbrennungsmotors und Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Durch Anordnen eines Anschlagelements stromabwärts vom Turbinenrad kann eine einfache, aber wirksame Möglichkeit zum Verhindern, dass das Turbinenrad ein Turbinengehäuseteil der Gehäusebaugruppe des Turboladers bei einem etwaigen Defekt des Verdichterrads beschädigt, bereitgestellt werden. Wenn das Gleichgewicht im Turbolader aus irgendeinen Grund verloren geht und das Turbinenrad beginnt, sich in der Strömungsrichtung von Abgasen zu bewegen, stoppt das Anschlagelement die Welle und dadurch ebenfalls das daran befestigte Turbinenrad in einer axialen Bewegung in Richtung des Abgasstroms. Dadurch wird das Austreten von Öl von der Wellenlageranordnung verhindert, da die Dichtelemente im Lagergehäuseteil der Gehäusebaugruppe ihre Dichtfunktion trotz des Verlorengehens des Gleichgewichts im Turbolader behalten können. Auf diese Weise wird ein stromabwärts vom Turbinenrad angeordnete Abgasnachbehandlungsanlage vor einem Ölaustritt geschützt, der andernfalls beispielsweise die in der Nachbehandlungsanlage enthaltenen Katalysatoren zerstören kann.
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Da die Anschlaganordnung stromabwärts vom Turbinenrad angeordnet ist, kann die Anschlaganordnung in der Gehäusebaugruppe des Turboladers untergebracht werden; die Anschlagvorrichtung kann aber auch als eine separate Komponente bereitgestellt werden oder in eine andere Komponente des Turbinenrads integriert sein. Somit ist die vorgeschlagene Anschlaganordnung sehr vielseitig.
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Vorzugsweise ist das Anschlagelement so angeordnet, dass es einen Endteil der drehbaren Welle berührt, wenn eine axiale Bewegung der Welle in Strömungsrichtung einen vorgegebenen Schwellenabstand überschreitet. Das Anschlagelement stoppt somit wirksam eine axiale Bewegung, die zu Schäden an der Gehäusebaugruppe und einem Ölaustritt führen kann, während ein ungehindertes Drehen der Welle und ein kleines axiales Spiel durch einen Abstand zwischen dem Endteil der Welle und dem Anschlagelement ermöglicht wird.
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Vorzugweise ist das Anschlagelement in einem axialen Abstand d1 zum Endteil angeordnet, wobei der Abstand d1 kleiner ist als ein axialer Mindestabstand zwischen dem Turbinenrad und einem Turbinengehäuseteil der Gehäusebaugruppe. Auf diese Weise stoppt das Anschlagelement eine axiale Bewegung der Welle, bevor ein Teil des Turbinenrads das Turbinengehäuse berührt. Das Einhalten eines kleinen Abstands d1 zwischen dem Anschlagelement und dem Endteil ist ebenfalls aus aerodynamischer Sicht vorteilhaft, da Druckverluste verringert werden. Der axiale Abstand d1 muss ebenfalls ausreichend Platz für ein ausreichendes axiales Spiel lassen, während eine schädliche axiale Bewegung wirksam gestoppt wird. Er muss daher so klein wie möglich sein, um Druckverluste zu vermeiden, aber groß genug, um eine Wärmedehnung der Komponenten im Betrieb zu ermöglichen und Toleranzen der Komponenten zu berücksichtigen.
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Das Anschlagelement ist in eine stromabwärts von einem Turbinengehäuseteil der Gehäusebaugruppe angeordnete Komponente integriert. Das Anschlagelement ist in ein Abgasventil integriert. Das Integrieren des Anschlagelement in eine Komponente getrennt vom Turbolader ermöglicht eine sichere Verwendung eines vorgefertigten Turboladers, der nicht mit einer Anschlaganordnung ausgestattet ist, in der Ansaug- und Abgasanlage. Die separate Anschlaganordnung schützt teure Abgasnachbehandlungsanlagen stromabwärts vom Anschlagelement .
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Gemäß einem nicht beanspruchten Vergleichsbeispiel ist das Anschlagelement in ein Turbinengehäuseteil der Gehäusebaugruppe integriert. Das Anschlagelement kann in diesem Fall gut an den Turbolader angepasst werden, beispielsweise in Bezug auf den Abstand zwischen dem Anschlagelement und einem Endteil der Welle relativ zu axialen Abständen im Turbolader.
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Vorzugsweise ist das Anschlagelement in der Form einer sich in Strömungsrichtung erstreckenden Stange ausgebildet. Eine Stange kann einfach und sicher an beispielsweise Wänden eines Abgasrohrs entweder integriert in den Turbolader oder getrennt vom Turbolader durch sich von der Stange zu den Wänden erstreckende Befestigungselemente befestigt werden. Eine Stange kann ebenfalls einfach so ausgebildet werden, dass ausreichend Platz für den Abgasstrom bereitgestellt wird.
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Vorzugsweise weist das Anschlagelement eine konische Form in der Strömungsrichtung auf. Die konische Form ist für die aerodynamischen Eigenschaften der Abgasanlage vorteilhaft, da das Anschlagelement in dieser Ausführungsform das Optimieren des Stroms von Abgasen unterstützt und dadurch Druckverluste in der Anlage verringert. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn das Anschlagelement in der Form einer Stange ausgebildet ist.
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Das Anschlagelement ist in ein Abgasventil integriert. Das Abgasventil kann beispielsweise ein für die Auspuffbremse des Verbrennungsmotors verwendetes Abgasventil sein. Das Anschlagelement kann auf diese Weise effizient mit einer bereits in der Abgasanlage vorhandenen Komponente kombiniert werden.
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Vorzugsweise ist das Anschlagelement so angeordnet, dass es die axiale Bewegung der Welle in der Strömungsrichtung nur stoppt, wenn das Abgasventil geöffnet ist. Wenn beispielsweise eine Drosselklappe mit einer drehbaren Scheibe verwendet wird, kann das Anschlagelement in der Form eines in die Scheibe integrierten Blocks ausgebildet und an deren Umfang angeordnet sein. Wenn die Klappe öffnet, dreht sich das Anschlagelement mit der Scheibe und ist direkt vor einem Endteil der Welle angeordnet. Wenn die Klappe geschlossen wird, besteht kein Strom von Abgasen und die Welle wird somit nicht in eine Bewegung entlang der Welle versetzt. Das Anschlagelement ist daher überflüssig, wenn die Klappe geschlossen ist.
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Vorteile der Ansaug- und Abgasanlage sowie vorteilhafte Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Bezug auf die vorgeschlagene Anschlaganordnung hervor.
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Das Kraftfahrzeug umfassend die Ansaug- und Abgasanlage ist vorzugsweise ein Schwerlastkraftfahrzeug, wie ein Bus oder ein Lastwagen.
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Weitere vorteilhafte Merkmale sowie Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Beispiels in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
- 1a zeigt einen schematischen Querschnitt eines Turboladers und einer Anschlaganordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
- 1b zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie b-b in 1a.
- 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Turboladers und einer Anschlaganordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt schematisch eine Ansaug- und Abgasanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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1a-b und 2 zeigen schematisch Querschnitte eines Turboladers 1 in einer Ansaug- und Abgasanlage eines Verbrennungsmotors und eine Anschlaganordnung 20 gemäß jeweils einer ersten und einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die Komponenten des Turboladers zu einem großen Teil identisch sind, werden die gleichen Bezugszeichen für Elemente mit der gleichen Funktion in den zwei Ausführungsformen verwendet. Der Turbolader 1 in beiden Ausführungsformen umfasst eine Gehäusebaugruppe 2, die alle internen Komponenten des Turboladers 1 umschließt und ein Turbinengehäuseteil 3, ein Verdichtergehäuseteil 4 und ein Lagergehäuseteil 5 umfasst. Das Turbinengehäuseteil 3 umschließt ein Turbinenrad 6 und umfasst einen ringförmigen Einlasskanal 7, der Abgase zum Turbinenrad 6 führt. Es umfasst ferner einen Auslasskanal 8 zum Führen der Abgase vom Turbinenrad 6 in eine Nachbehandlungsanlage (siehe 3) in einer durch die Pfeile dargestellten Strömungsrichtung. Das Verdichtergehäuseteil 4 umschließt ein Verdichterrad 9 und umfasst einen Einlasskanal 10 zum Führen von Luft zum Verdichterrad 9 in einer durch die Pfeile dargestellten Strömungsrichtung. Es umfasst ferner einen ringförmigen Auslasskanal 11 zum Aufnehmen und Führen von verdichteter Luft vom Verdichterrad 9 weg in Richtung des Verbrennungsmotors nach dem Verdichten. Das Lagergehäuseteil 5 umschließt eine drehbare Welle 12, die das Turbinenrad 6 mit dem Verdichterrad 9 verbindet. Die Welle 12 erstreckt sich in der Richtung einer Längsdrehachse und ist mit einer Wellenlageranordnung 13, 14 umfassend zwei Radialgleitlager 13 und ein Axialgleitlager 14 drehbar montiert. Die Welle 12 ist mit anderen Worten in der Längsachse drehbar. Das Lagergehäuseteil 5 umfasst einen Öleinlass 15 zum Nachfüllen von Öl in die Lager 13, 14 und einen Ölauslass 16 für verbrauchtes Öl. Das Öl besitzt neben einer Schmierfunktion auch eine Kühlwirkung für den Turbolader 1. Ein Dichtelement 17 verhindert, dass Öl in den vom Turbinengehäuseteil 3 umschlossenen Raum etwa in den Auslasskanal 8 dringt. Ein Endteil 18 der Welle erstreckt sich in den vom Turbinengehäuseteil 3 umschlossenen Auslasskanal 8.
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In der in 1a-b dargestellten ersten Ausführungsform umfasst die Anschlaganordnung 20 ein Anschlagelement 21 in der Form einer Innenwand, die den Auslasskanal 8 in eine obere Hälfte 8a und eine untere Hälfte 8b unterteilt, wie in 1b zu sehen ist. Das Anschlagelement 21 ist somit in das Turbinengehäuseteil 3 integriert. Eine Alternative stellt die Ausbildung des Anschlagelements in der Form von Innenwänden, die den Auslasskanal in drei oder vier Kammern unterteilen, oder das Vorsehen von Befestigungselementen in der Form von Stangen zum Verbinden der Innenwand des Turbinengehäuseteils 3 mit dem Anschlagelement , die in diesem Fall in der Form einer sich in der Strömungsrichtung von Abgasen erstreckenden Stange ausgebildet sein können, dar. In anderen Ausführungsformen kann das Anschlagelement in beispielsweise einem mit dem Turbinengehäuseteil verbundenen Abgasrohr integriert sein, statt in das Turbinengehäuseteil integriert zu sein.
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Das Anschlagelement 21 ist zum Berühren mit dem Endteil 18 der drehbaren Welle 12 angeordnet, wenn sich die Welle 12 mehr als einen vorgegebenen Schwellenabstand in der Strömungsrichtung von Abgasen bewegt. Zu diesem Zweck ist das Anschlagelement 21 in einem kleineren axialen Abstand d1 zum Endteil 18 angeordnet als ein axialer Mindestabstand zwischen dem Turbinenrad 6 und einer Innenwand des Turbinengehäuseteils 3, wobei sich „axialer Abstand“ auf den Abstand in der Richtung der Längsdrehachse der Welle 12 bezieht. Der axiale Abstand d1 zwischen dem Endteil 18 und dem Anschlagelement 21 hängt beispielsweise von der Ausbildung des Turbinenrads 6 und des Turbinengehäuseteils 3 ab.
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Wenn Abgase durch den ringförmigen Einlasskanal 7 über das Turbinenrad 6 in den Auslasskanal 8 strömen, bewirken sie das Bewegen des Turbinenrads 6 in der Strömungsrichtung von Abgasen, das heißt in der axialen Richtung der Welle 12. Das Turbinenrad 6 wird aber vom Verdichterrad 9 im Gleichgewicht gehalten und solange das Verdichterrad 9 intakt ist, wird eine axiale Bewegung von Welle 12 und Turbinenrad 6 verhindert. Bei einem Defekt des Verdichterrads 9 geht das Gleichgewicht verloren. Aufgrund der auf das Turbinenrad 6 einwirkenden Kräfte beginnt sich die Welle 12 gegebenenfalls in axialer Richtung weiter in den Auslasskanal 8 hinein zu bewegen. Wenn der Endteil 18 der Welle 12 das Anschlagelement 21 berührt, wird die Bewegung gestoppt. Ein Ölaustritt vom Lagergehäuseteil 5 am Dichtelement 17 vorbei wird dadurch verhindert, ebenso wie ein Kontakt zwischen dem sich drehenden Turbinenrad 6 und der Innenwand des Turbinengehäuseteils 3.
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In der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform umfasst die Ansaug- und Abgasanlage ferner ein mit dem Turbinengehäuseteil 3 verbundenes Abgasrohr 25. Im Abgasrohr 25 ist ein Anschlagelement 27 angeordnet, das in ein Abgasventil 26 in Form einer Drosselklappe, das heißt umfassend eine um eine Achse zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand drehbare runde Scheibe 28, integriert ist. Hier ist das Abgasventil 26 im geöffneten Zustand dargestellt. Das Abgasventil 26 ist so ausgebildet, dass es ausreichend starr ist, und so angeordnet, dass in dessen geöffneten Zustand das Anschlagelement 27 am Umfang der Scheibe 28 eine unerwünschte axiale Bewegung der Welle 12 durch Berühren des Endteils 18 verhindert. Wenn das Abgasventil 26 geschlossen ist, ist das Anschlagelement 27 vom Endteil 18 der Welle 12 weg gedreht. Gleichzeitig wird der Abgasstrom stark verringert und das Anschlagelement 27 wird nicht benötigt, da sich das Turbinenrad 6 mit einer niedrigeren Drehzahl dreht und die Gefahr eines Defekts oder Bruchs somit verringert ist. In der zweiten Ausführungsform ist das Anschlagelement 27 ebenfalls zum Berühren mit dem Endteil 18 der drehbaren Welle 12 angeordnet, wenn sich die Welle 12 mehr als einen vorgegebenen Schwellenabstand in der Strömungsrichtung von Abgasen bewegt. Es ist daher in einem kleineren axialen Abstand d1 zum Endteil 18 angeordnet als ein axialer Mindestabstand zwischen dem Turbinenrad 6 und einer Innenwand des Turbinengehäuseteils 3.
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3 zeigt stark schematisch eine Ansaug- und Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ansaug- und Abgasanlage umfasst einen Turbolader 1 wie zuvor beschrieben umfassend eine Gehäusebaugruppe 2, ein stromabwärts von einem Zylinder 30 des Verbrennungsmotors angeordnetes Turbinenrad 6, ein stromabwärts vom Verbrennungsmotor angeordnetes Verdichterrad 9 und eine drehbare Welle 12, die das Turbinenrad 6 mit dem Verdichterrad 9 verbindet. Die Anlage umfasst ferner eine stromabwärts vom Turbinenrad 6 angeordnete Abgasnachbehandlungsanlage 31, ein zum Befördern von Abgasen vom Verbrennungsmotor über das Turbinenrad 6 zur Nachbehandlungsanlage 31 ausgebildete Abgaskanalanordnung 32 und eine zum Befördern von Ansaugluft über das Verdichterrad 9 zum Verbrennungsmotor ausgebildete Einlasskanalanordnung 33. Die Ansaug- und Abgasanlage umfasst ferner eine zwischen dem Turbinenrad 6 und der Nachbehandlungsanlage 31 angeordnete Anschlaganordnung 20 wie zuvor beschrieben.
