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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau ist es bekannt, Verbrennungskraftmaschinen zum Antreiben von Kraftwagen mit Abgasturboladern auszustatten, um einen effizienten Betrieb der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Ein solcher Abgasturbolader umfasst eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine sowie einen von der Turbine antreibbaren Verdichter zum Verdichten von Luft. Die mittels des Verdichters verdichtete Luft kann der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Da der Verdichter von der Turbine und die Turbine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
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Üblicherweise weist eine solche Turbine ein Turbinengehäuse und ein im Turbinengehäuse drehbar aufgenommenes Turbinenrad sowie einen Umgehungskanal auf, über welchen zumindest ein Teil des Abgases das Turbinenrad umgehen kann. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht anströmt und demzufolge nicht antreibt. Der Umgehungskanal wird auch als Wastegate oder Bypass bezeichnet und wird insbesondere dazu genutzt, den Ladedruck des Abgasturboladers einzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine für einen Abgasturbolader zu schaffen, wobei sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Turbine realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Turbine für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben eines Kraftwagens, weist ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbares Turbinengehäuse mit zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennten und von dem Abgas durchströmbaren Fluten auf. Das Turbinengehäuse weist somit die Fluten sowie zumindest eine Überströmöffnung auf, über welche die Fluten fluidisch miteinander verbindbar sind. Die Turbine umfasst ferner ein in dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommenes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad. Ferner weist die Turbine wenigstens einen Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Das den Umgehungskanal durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad und strömt das Turbinenrad nicht an, sodass demzufolge das Turbinenrad von dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas nicht angetrieben wird.
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Darüber hinaus umfasst die Turbine ein um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbares Ventilelement, welches einen Ventilkörper aufweist, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases und eine die Überströmöffnung durchströmende zweite Menge des Abgases einstellbar sind. Beispielsweise sind der Umgehungskanal und/oder die Überströmöffnung mittels des Ventilkörpers fluidisch versperrbar, sodass kein Abgas den Umgehungskanal beziehungsweise die Überströmöffnung durchströmen kann. Der Ventilkörper ist dabei als Ringsegment ausgebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse liegt.
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Der Vorgang, dass Abgas durch den Umgehungskanal strömt, wird auch als Abblasen bezeichnet, da das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht antreibt, sodass in dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas enthaltene Energie nicht zum Antreiben des Turbinenrads genutzt wird. Da mittels des Ventilelements die den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases einstellbar ist, kann das Abblasen, das auch als Abblasung bezeichnet wird, mittels des Ventilelements eingestellt werden. Ferner wird das Ventilelement genutzt, um die zweite Menge und somit die Verbindung der Fluten einzustellen. Dem Ventilelement kommt somit eine Doppelfunktion zu, da es einerseits zum Einstellen der ersten Menge sowie andererseits zum Einstellen der zweiten Menge genutzt wird. Aufgrund dieser Doppelfunktion können die Teileanzahl und somit das Gewicht und der Bauraumbedarf der Turbine gering gehalten werden, sodass ein besonders vorteilhafter und effizienter Betrieb der Turbine realisierbar ist.
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Durch die Ausgestaltung des Ventilkörpers als Ringsegment, dessen Mittelpunkt beziehungsweise Zentrum auf der Drehachse liegt, kann zudem ein besonders vorteilhafter und effizienter Betrieb der Turbine realisiert werden, da die den Umgehungskanal durchströmende erste Menge gering gehalten werden kann, während die Fluten besonders stark miteinander verbunden werden können und demzufolge eine hohe zweite Menge eingestellt werden kann. Mit anderen Worten ist es möglich, durch die Ausgestaltung des Ventilkörpers als Ringsegment das Verbinden der Fluten stärker zu gewichten als das Freigeben des Umgehungskanals, wenn das Ventilelement und somit der Ventilkörper um die Drehachse gedreht werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Turbine realisieren lässt, wenn die Überströmöffnung besonders weit freigegeben wird und somit die Fluten besonders stark miteinander verbunden werden, während gleichzeitig das Abblasen so gering wie möglich gehalten wird. Durch das fluidische Verbinden der Fluten kann beispielsweise eine Stauaufladung der Turbine eingestellt werden.
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Es ist denkbar, dass in wenigstens einer Schließstellung des Ventilelements und somit des Ventilkörpers die Überströmöffnung mittels des Ventilkörpers fluidisch versperrt ist, sodass die Fluten auch im Bereich der Überströmöffnung voneinander getrennt sind. Dadurch kann beispielsweise eine Stoßaufladung der Turbine eingestellt werden. Durch die genannte und durch die entsprechende Ausgestaltung des Ventilkörpers als Ringsegment realisierbare, unterschiedliche Gewichtung des Abblasens und des Verbindens der Fluten, wobei das Verbinden der Fluten betont wird beziehungsweise stärker gewichtet wird als das Abblasen, ist es möglich, bedarfsgerecht zwischen der Stoßaufladung und der Stauaufladung umzuschalten, während die den Umgehungskanal durchströmende erste Menge, das heißt das Abblasen, besonders gering gehalten werden kann. Somit kann die Problematik vermieden oder zumindest gering gehalten werden, dass mit zunehmender Flutenverbindung auch ein übermäßiges, zunehmendes Freigeben des Umgehungskanals erfolgt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1a–d jeweilige schematische Darstellungen eines Ventilelements für eine Turbine eines Abgasturboladers in unterschiedlichen Stellungen des Ventilelements;
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2 eine schematische Perspektivansicht des Ventilelements;
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3 eine schematische Vorderansicht des Ventilelements; und
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4 eine schematische und perspektivische Seitenansicht des Ventilelements und eines Teils eines Turbinengehäuses der Turbine.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1a zeigt links in einer schematischen Seitenansicht beziehungsweise rechts in einer schematischen Schnittansicht entlang einer Schnittlinie A ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers. Dabei ist eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit dem Abgasturbolader ausgestattet, wobei der Abgasturbolader die Turbine und einen Verdichter umfasst. Die Turbine ist in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei der Abgastrakt von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Der Verdichter ist in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei der Ansaugtrakt von Luft, die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugt wird, durchströmbar ist. Die den Ansaugtrakt durchströmende Luft wird mittels des Verdichters verdichtet, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist der Verdichter von der Turbine und die Turbine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar, sodass im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann.
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Die Turbine weist ein in 1 teilweise erkennbares Turbinengehäuse 12 auf, welches von dem Abgas durchströmbar ist. In Zusammenschau mit 3 ist erkennbar, dass das Turbinengehäuse 12 zumindest zwei Fluten 14 und 16 aufweist, welche von dem Abgas durchströmbar sind. Die Fluten 14 und 16 sind dabei zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennt und münden in einen Aufnahmeraum des Turbinengehäuses 12. Im vollständig hergestellten Zustand der Turbine ist in dem Aufnahmeraum ein Turbinenrad drehbar aufgenommen, sodass das die Fluten 14 und 16 durchströmende Abgas mittels der Fluten 14 und 16 zu dem Turbinenrad geführt wird. Somit kann das in den Aufnahmeraum einströmende Abgas das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben.
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Das Turbinenrad ist Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers, wobei der Rotor auch eine Welle und ein Verdichterrad des Verdichters umfasst. Dabei umfasst der Verdichter ein Verdichtergehäuse, in welchem das Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind dabei drehfest mit der Welle verbunden, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad antreibbar ist.
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Besonders gut aus 1b–d ist erkennbar, dass das Turbinengehäuse 12 zumindest eine Überströmöffnung 18 aufweist, über welche die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbindbar sind. Außerdem weist die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse 12, wenigstens einen in den Fig. nicht erkennbaren Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das Turbinengehäuse 12 beispielsweise eine Einströmöffnung aufweist, über welche dem Umgehungskanal das Abgas aus den Fluten 14 und 16 zuführbar ist. Das über die Einströmöffnung – wenn diese freigegeben ist – in den Umgehungskanal einströmende Abgas kann den Umgehungskanal durchströmen und somit das Turbinenrad umgehen, wobei das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht anströmt und demzufolge nicht antreibt. Dieses Umgehen des Turbinenrads wird auch als Abblasen oder Abblasung bezeichnet, da in dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas enthaltene Energie nicht zum Antreiben des Turbinenrads genutzt wird.
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Im fertig hergestellten Zustand der Turbine ist das Ventilelement 10 mit einer Welle 20 gekoppelt, wobei die Welle 20 um eine Drehachse 22 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar ist. Da der Umgehungskanal auch als Wastegate und das Ventilelement 10 als Wastegate-Ventil bezeichnet wird, wird die Welle 20 auch als Wastegate-Welle bezeichnet. Das Ventilelement 10 ist somit um die Drehachse 22 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 verschwenkbar beziehungsweise drehbar, wobei das Ventilelement 10 beispielsweise zwischen wenigstens einer in 1a veranschaulichten Schließstellung und wenigstens einer in 1d veranschaulichten Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse 12 bewegbar ist. Um die Teileanzahl und somit das Gewicht, den Bauraumbedarf und die Kosten der Turbine besonders gering zu halten, kommt dem Ventilelement 10 eine Doppelfunktion zu.
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Hierzu weist das Ventilelement 10 einen Ventilkörper 24 auf, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases und eine die Überströmöffnung 18 durchströmende zweite Menge des Abgases einstellbar sind. insbesondere sind mittels des Ventilkörpers 24 ein von dem Abgas durchströmbarer erster Strömungsquerschnitt der genannten Einströmöffnung sowie ein von dem Abgas durchströmbarer, zweiter Strömungsquerschnitt der Überströmöffnung 18 einstellbar. Dies bedeutet, dass beide Mengen des Abgases mittels des einen Ventilelements 10, insbesondere des Ventilkörpers 24, einstellbar sind, sodass nicht etwa jeweilige, voneinander separate Einstellelemente zum Einstellen der Mengen vorgesehen werden müssen.
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Um nun einen besonders effizienten beziehungsweise vorteilhaften Betrieb der Turbine zu realisieren, ist der Ventilkörper 24 – wie besonders gut aus 1a und 1c erkennbar ist – als Ringsegment ausgebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse 22 liegt. Dieses Ringsegment weist vorliegend einen zumindest im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Mit anderen Worten ist das Ventilelement 10 um einen auf der Drehachse 22 liegenden Drehpunkt relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar und somit zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegbar. Dabei ist der Ventilkörper 24 als Ringabschnitt ausgebildet, dessen Zentrum in dem genannten Drehpunkt liegt. Dabei ist der Drehpunkt der Punkt, um den sich das Ventilelement 10 und somit der Ventilkörper 24 drehen. Das Ventilelement 10 weist auch einen von dem Ventilkörper 24 abstehenden Zapfen 26 auf, über welchen das Ventilelement 10 mit der Welle 20 verbunden ist.
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Durch die Ausgestaltung des Ventilkörpers 24 als Ringsegment ist es möglich, das Ventilelement 10 und somit den Ventilkörper 24 aus der Schließstellung sukzessive in Richtung der beziehungsweise in die Offenstellung zu bewegen und dabei die Überströmöffnung 18 immer weiter freizugeben und somit die Fluten 14 und 16 immer weiter zu verbinden, während die Einströmöffnung beziehungsweise der zweite Strömungsquerschnitt besonders gering gehalten werden kann und insbesondere nicht oder nur geringfügig weiter zunimmt. Der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals beziehungsweise der Einströmöffnung wird auch als Abblasefläche bezeichnet, da das Abgas über diese Abblasefläche in den Umgehungskanal einströmen und somit das Turbinenrad umgehen kann. Mit anderen Worten ist es durch die beschriebene Ausgestaltung des Ventilkörpers 24 möglich, die Fluten immer weiter miteinander zu verbinden, indem die Überströmöffnung 18 immer weiter freigegeben wird, während gleichzeitig ein Zunehmen, insbesondere ein übermäßiges Zunehmen, der Abblasefläche unterbleibt.
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Die Abblasefläche, welche von dem Abgas durchströmbar ist und über welche das Abgas in den Umgehungskanal einströmen kann, ist beispielsweise ein Spalt zwischen einer in 1a mit B bezeichneten ersten Fläche und einer in 1a kreuzschraffierten zweiten Fläche C. In der in 1a gezeigten Schließstellung ist die die Einströmöffnung fluidisch versperrt, sodass der Umgehungskanal vollständig geschlossen ist. In der Schließstellung ist somit nicht nur die Einströmöffnung beziehungsweise der Umgehungskanal fluidisch versperrt, sondern in der Schließstellung sind auch die Fluten 14 und 16 fluidisch voneinander getrennt.
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1b und 1c zeigen Zwischenstellungen des Ventilelements 10 zwischen der Schließstellung und der Offenstellung, wobei der zweite Strömungsquerschnitt wesentlich größer als der erste Strömungsquerschnitt ist. Dies bedeutet, dass die Fluten 14 und 16 zwar fluidisch stark miteinander verbunden sind, jedoch sind der Spalt zwischen den Flächen B und C und somit die Abblasefläche besonders gering. In der Schließstellung und in den Zwischenstellungen ist – wie besonders gut aus 4 erkennbar ist – der Ventilkörper 24 zumindest teilweise in der Einströmöffnung aufgenommen, welche durch wenigstens eine Wandung 28 des Turbinengehäuses 12 begrenzt wird. Dadurch wird die Abblasefläche in den Zwischenstellungen durch den Ventilkörper 24, insbesondere eine außenumfangsseitige Mantelfläche 30 des Ventilkörpers 24, und die Wandung 28 begrenzt.
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Durch weiteres Bewegen des Ventilkörpers 24 aus der in 1c und 4 gezeigten Zwischenstellung in die Offenstellung wird der Ventilkörper 24 vollständig aus der Einströmöffnung herausbewegt, sodass der Ventilkörper 24 in der Offenstellung vollständig außerhalb der Einströmöffnung angeordnet ist. Dann wird die Einströmöffnung beziehungsweise die Abblasefläche nicht mehr durch die Wandung 28 und die außenumfangsseitige Mantelfläche 30, sondern lediglich noch durch die Wandung 28 begrenzt, sodass die Einströmöffnung beispielsweise vollständig freigegeben ist. Um den Ventilkörper 24 aus der in 1c und 4 gezeigten Zwischenstellung in die Offenstellung zu bewegen, insbesondere zu drehen, wird das Ventilelement 10 beispielsweise um 3 Grad um die Drehachse 22 gedreht.
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Die Ausgestaltung des Ventilkörpers 24 als Ringsegment ist besonders gut aus 1a und 1c erkennbar. Der Ventilkörper 24 folgt hinsichtlich seines Verlaufs beziehungsweise hinsichtlich seiner Erstreckung einem Kreis 33 beziehungsweise einem Segment des Kreises 33, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse 22 beziehungsweise auf dem genannten Drehpunkt liegt. Hierdurch ist es – wie zuvor beschrieben – möglich, das Freigeben der Überströmöffnung 18 und somit das Verbinden der Fluten 14 und 16 gegenüber dem Abblasen zu betonen beziehungsweise das Verbinden der Fluten 14 und 16 stärker zu gewichten als das Abblasen. Hierdurch kann ein übermäßiges Abblasen vermieden werden, während die Fluten 14 und 16 über die Überströmöffnung 18 besonders stark beziehungsweise weit oder großflächig miteinander verbunden werden können.
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Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Fluten 14 und 16 befindet sich die Überströmöffnung 18 stromauf des Turbinenrads, sodass bei Freigeben der Überströmöffnung 18, das heißt bei miteinander verbundenen Fluten 14 und 16 Abgas aus der Flut 14 in die Flut 16 über die Überströmöffnung 18 strömen kann beziehungsweise umgekehrt. Dadurch kann eine Stoßaufladung beziehungsweise ein Stoßaufladebetrieb der Turbine realisiert werden. Ist die Überströmöffnung 18 mittels des Ventilkörpers 24 fluidisch versperrt, sodass die Überströmöffnung 18 nicht freigegeben ist, so ist beispielsweise eine Stoßaufladung beziehungsweise ein Stoßaufladebetrieb der Turbine eingestellt.
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Besonders gut aus 1b ist erkennbar, dass der Ventilkörper 24 wenigstens eine erste Dichtfläche 32 zum fluidischen Versperren der Überströmöffnung 18 und wenigstens eine von der ersten Dichtfläche 32 beabstandete, zweite Dichtfläche 34 zum fluidischen Versperren des Umgehungskanals aufweist. Dabei ist vorzugsweise die zweite Dichtfläche 34 auf einem größeren Durchmesser als die erste Dichtfläche 32 angeordnet. In der Schließstellung wirken die Dichtflächen 32 und 34 mit jeweiligen, korrespondierenden Dichtflächen des Turbinengehäuses 12 zusammen, indem die Dichtflächen 32 und 34 beispielsweise an den korrespondierenden, weiteren Dichtflächen des Turbinengehäuses 12 anliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventilelement
- 12
- Turbinengehäuse
- 14
- Flut
- 16
- Flut
- 18
- Überströmöffnung
- 20
- Welle
- 22
- Drehachse
- 24
- Ventilkörper
- 26
- Zapfen
- 28
- Wandung
- 30
- außenumfangsseitige Mantelfläche
- 32
- Dichtfläche
- 33
- Kreis
- 34
- Dichtfläche
- A
- Schnittlinie