DE202009016174U1 - Exhaust gas turbine with a self-cleaning coating - Google Patents

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Abstract

Turbine eines Abgasturboladers, umfassend ein Bauteil (10, 20, 30, 40) mit einer selbstreinigenden Oberflächenbeschichtung.Turbine of an exhaust gas turbocharger, comprising a component (10, 20, 30, 40) with a self-cleaning surface coating.

Figure 00000001
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Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer turbinenseitig an einer inneren Oberfläche vorgesehenen selbstreinigenden Beschichtung.The The invention relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with a turbine side provided on an inner surface self-cleaning coating.

Stand der TechnikState of the art

Für die Leistungssteigerung einer Verbrennungskraftmaschine werden heutzutage standardmässig Abgasturbolader mit einem der Verbrennungskraftmaschine vorgelagerten Verdichter und einer daran verbundenen Turbine im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Mit der Aufladung eines Verbrennungsmotors wird die Füllmenge und somit die Kraftstoffmenge in den Zylindern erhöht und daraus ein merklicher Leistungsanstieg gewonnen. Bei gewissen Motoranwendungen im Marinesektor (Medium Speed Motoren) wird nebst Dieseltreibstoff auch Schweröl (Heavy Fuel Oil HFO) als Brennstoff eingesetzt. Das Schweröl (HFO) zeichnet sich durch einen hohen Anteil an Schwefel, Vanadium, Natrium, Nickel und Wasser sowie weiterer Elemente aus. Im Vergleich zu den höherwertigen Kraftstoffen wie Diesel oder Kerosin entsteht bei der Verbrennung von HFO ein übermässiger Anteil an schädigenden Ablagerungen in den Abgasleitungen sowie, im Strömungsbereich der Abgasturbinen, auf den Turbinenschaufeln und den Turbinenkanalkonturen sowie insbesondere den Leitelementen (Leitschaufeln) der Leitvorrichtung (Düsenring), welche den Turbinenschaufeln im Strömungskanal vorgeschaltet ist. Die Ablagerungen in den schmalen Leitschaufelpassagen des Düsenrings führen zu einer Versperrung der Strömungsquerschnitte, beeinträchtigen das Betriebsverhalten der Turbine und reduzieren den Wirkungsgrad des gesamten Aufladesystems. Weiter reduzieren die Ablagerungen auf den Kanalwänden das Spiel zwischen den Turbinenschaufelspitzen und der entsprechenden Gegenkontur. Durch die fortschreitende Verschmutzung und die damit einhergehende Verdickung der Ablagerung können die Schaufelenden der Turbine zusehends durch Abrasion verschleissen. Nach erfolgter Reinigung eines Turboladers (Service) und der Entfernung der Ablagerungen ergeben sich in der Folge zu grosse Spitzenspiele, wodurch sich der Laderwirkungsgrad für den weiteren Betrieb reduzieren kann.For The increase in performance of an internal combustion engine are nowadays Standard turbocharger with one of the internal combustion engine upstream compressor and an associated turbine in the Exhaust tract of the internal combustion engine used. With the charge an internal combustion engine is the filling quantity and thus the Increases fuel quantity in the cylinders and from it noticeable increase in performance gained. For certain engine applications in the marine sector (medium speed engines) is in addition to diesel fuel heavy fuel oil (HFO) is also used as fuel. The heavy oil (HFO) is characterized by a high proportion on sulfur, vanadium, sodium, nickel and water and others Elements off. Compared to the higher quality fuels Like diesel or kerosene, combustion of HFO causes an excessive amount of heat Proportion of harmful deposits in the exhaust pipes and, in the flow area of the exhaust gas turbines, on the turbine blades and the turbine duct contours and in particular the guide elements (Guide vanes) of the guide (nozzle ring), which the Turbine blades in the flow channel is connected upstream. The deposits in the narrow vane passages of the nozzle ring lead to obstruction of the flow cross sections, affect the performance of the turbine and reduce the efficiency of the entire charging system. Further reduce the deposits on the canal walls the game between the turbine blade tips and the corresponding counter contour. Due to the progressive pollution and the associated Thickening of the deposit can make the blade ends of the Turbine increasingly worn due to abrasion. After cleaning a turbocharger (service) and the removal of deposits result in the episode too big top games, resulting in reduce the supercharger efficiency for further operation can.

Um einen dauerhaft störungsfreien Betrieb bei voller Leistungsfähigkeit gewährleisten zu können, werden die verunreinigten Teile herkömmlicher Abgasturbolader, d. h. die Turbinenschaufeln und insbesondere die Leitelemente der Leitvorrichtung, in regelmässigen Abständen mittels einer in den Abgasstrom im Strömungskanal eingespritzten Reinigungsflüssigkeit von den Ablagerungen befreit.Around a permanently trouble-free operation at full capacity to be able to ensure that the contaminated Parts of conventional exhaust gas turbochargers, d. H. the turbine blades and in particular the guide elements of the guide, in regular Intervals by means of a in the exhaust stream in the flow channel Injected cleaning fluid from the deposits freed.

Aus EP 1 627 993 A1 ist eine Reinigungsvorrichtung für eine Abgasturbine eines Abgasturboladers bekannt, welche Mittel zum Einspritzen einer Reinigungsflüssigkeit in den Strömungskanal umfasst.Out EP 1 627 993 A1 a cleaning device for an exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger is known, which comprises means for injecting a cleaning liquid into the flow channel.

Kurze Darstellung der ErfindungBrief description of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ablagerungen auf den Turbinenschaufeln und den Turbinenkanalkonturen sowie insbesondere den Leitelementen der Leitvorrichtung zu verringern, und insbesondere vollständig zu verhindern.The Object of the present invention is the deposits on the turbine blades and the turbine channel contours and in particular reduce the vanes of the guide, and in particular completely prevent.

Erfindungsgemäss weisen die der Strömung ausgesetzten Teile der Turbine des Abgasturboladers an einer der Strömung ausgesetzten Oberfläche eine selbstreinigende oder schmutzabweisende Beschichtung auf.According to the invention indicate the flow-exposed parts of the turbine the exhaust gas turbocharger at one of the flow exposed Surface a self-cleaning or stain-resistant Coating on.

Die selbstreinigende oder schmutzabweisende Beschichtung führt zu einer verminderten Haftung von Substanzen an der Oberfläche. Verunreinigungen haften daher nicht oder nur in vermindertem Masse an der inneren Oberfläche, wenn sie auf diese auftreffen.The self-cleaning or dirt-repellent coating leads to a reduced adhesion of substances to the surface. Impurities are therefore not liable or only to a reduced extent on the inner surface when they hit them.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung ein keramisches Material auf. Keramische Materialien lassen sich fest mit den in der Regel metallischen Grundwerkstoffen des Turboladers verbinden und haben den Vorzug, dauerhaft genug zu sein, den Turbolader während seiner gesamten Lebensdauer vor Ablagerungen zu schützen.According to An embodiment of the invention comprises the coating a ceramic material. Ceramic materials can be firmly with the usually metallic base materials of the turbocharger connect and have the preference to be durable enough, the turbocharger during its entire life before deposits too protect.

Gemäss einer Ausführungsform weist die Beschichtung Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid auf, wobei auch mehrere dieser Bestandteile kombiniert sein können. Da das thermische Ausdehnungsverhalten von Zirkoniumdioxid besonders gut mit im Turboladerbau verwendeten metallischen Grundwerkstoffen übereinstimmt, wird bei Einsatz dieses Materials die Gefahr innerer Spannungen in der Beschichtung reduziert. Durch Verwendung von Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid wird erreicht, dass organische Verbindungen auf der Beschichtung eine besonders schlechte Haftung haben und damit die Bildung von Ablagerungen besonders weitgehend vermieden wird.According to In one embodiment, the coating comprises zirconia, Alumina, spinel or silica on, with several These ingredients can be combined. Because the thermal Expansion behavior of zirconium dioxide particularly good in turbocharger construction used metallic base materials is When using this material, the risk of internal tension in the Coating reduced. By using alumina, spinel or silicon dioxide is achieved that organic compounds on the coating have a particularly poor adhesion and so that the formation of deposits is largely avoided becomes.

Dank der beschichteten Bauteile im Strömungsbereich der Turbine können die Reinigungsintervalle der Turbine verlängert werden, bzw. es kann auf eine zusätzliche Turbinenreinigung ausserhalb des ordentlichen Turbinenservices ganz verzichtet werden.thanks the coated components in the flow region of the turbine can extend the cleaning intervals of the turbine be, or it may be on an additional turbine cleaning be completely dispensed with outside the ordinary turbine service.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigtfollowing Various embodiments of the invention are based on detailed explanations of drawings. This shows

1 einen entlang der Turboladerachse geführten Schnitt durch eine Turbine mit erfindungsgemäss beschichteten Bauteilen, 1 a guided along the turbocharger axis section through a turbine with coated according to the invention components,

2 einen senkrecht zur Turboladerachse geführten Schnitt durch den Düsenring der Turbine mit erfindungsgemäss beschichteten Leitschaufeln. 2 a guided perpendicular to the turbocharger axis section through the nozzle ring of the turbine with inventively coated vanes.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execution the invention

1 zeigt eine Turbine wie sie in Abgasturboladern eingesetzt wird. Anstelle der abgebildeten, rein radial angeströmten Turbine werden in Abgasturbolader auch rein axial oder schräg zur radialen Richtung angeströmte (Mixedflow) Turbinen eingesetzt. Die Turbine weist ein Gaseintrittsgehäuse 10 auf, von welchem aus das heisse Abgas über eine Leitvorrichtung mit Leitschaufeln 40 auf die Laufschaufeln 30 des Turbinenrades geleitet werden. 1 shows a turbine as used in exhaust gas turbochargers. Instead of the illustrated, purely radially impinged turbine in turbocharger also purely axially or obliquely flowed to the radial direction (mixed flow) turbines are used. The turbine has a gas inlet housing 10 on, from which the hot exhaust gas via a guide device with guide vanes 40 on the blades 30 be routed to the turbine wheel.

Erfindungsgemäss sind die der Strömung ausgesetzten Bauteile mit einer selbstreinigenden Beschichtung versehen, um die Ablagerung von Schmutz zu verringern und bestenfalls sogar zu vermeiden. Die Beschichtung ist in den Figuren mit den entlang der Oberflächen gezeichneten Punkten schematisch angedeutet.According to the invention are the flow-exposed components with a self-cleaning coating to reduce the build-up of dirt and at best even to avoid. The coating is in the figures along with the the surfaces drawn points schematically indicated.

2 zeigt einen senkrecht zur Turboladerachse geführten Schnitt durch den Düsenring der Turbine mit erfindungsgemäss beschichteten Leitschaufeln 40. 2 shows a guided perpendicular to the turbocharger axis section through the nozzle ring of the turbine with inventively coated vanes 40 ,

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung ein keramisches Material auf. Keramische Materialien lassen sich fest mit den in der Regel metallischen Grundwerkstoffen des Turboladers verbinden und haben den Vorzug, dauerhaft genug zu sein, den Turbolader während seiner gesamten Lebensdauer vor Ablagerungen zu schützen.According to An embodiment of the invention comprises the coating a ceramic material. Ceramic materials can be firmly with the usually metallic base materials of the turbocharger connect and have the preference to be durable enough, the turbocharger during its entire life before deposits too protect.

Gemäss einer Ausführungsform weist die Beschichtung oxidkeramische Materialien, beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Spinell (MgAl2O4) oder Siliziumdioxid (SiO2), auf, wobei auch mehrere dieser Bestandteile kombiniert sein können. Da das thermische Ausdehnungsverhalten von Zirkoniumdioxid besonders gut mit im Turboladerbau verwendeten metallischen Grundwerkstoffen übereinstimmt, wird bei Einsatz dieses Materials die Gefahr innerer Spannungen in der Beschichtung reduziert. Durch Verwendung von Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid wird erreicht, dass Ablagerungen auf der Beschichtung eine besonders schlechte Haftung haben und damit die Bildung von Ablagerungen besonders weitgehend vermieden wird.According to one embodiment, the coating has oxide-ceramic materials, for example zirconium dioxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), spinel (MgAl 2 O 4 ) or silicon dioxide (SiO 2 ), wherein several of these constituents may also be combined. Since the thermal expansion behavior of zirconium dioxide agrees particularly well with metallic base materials used in turbocharger construction, the risk of internal stresses in the coating is reduced when using this material. By using alumina, spinel or silica it is achieved that deposits on the coating have a particularly poor adhesion and thus the formation of deposits is particularly largely avoided.

Gemäss einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine Dicke in der Grössenordnung von 50 μm auf.According to In one embodiment, the coating has a thickness in the order of 50 microns on.

1010
Gaseintrittsgehäuse mit BeschichtungGas inlet casing with coating
2020
Gasaustrittsgehäuse mit BeschichtungGas outlet casing with coating
3030
Laufschaufeln der Turbine mit Beschichtungblades the turbine with coating
4040
Leitschaufeln der Leitvorrichtung mit Beschichtungvanes the guide device with coating

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1627993 A1 [0004] - EP 1627993 A1 [0004]

Claims (6)

Turbine eines Abgasturboladers, umfassend ein Bauteil (10, 20, 30, 40) mit einer selbstreinigenden Oberflächenbeschichtung.Turbine of an exhaust gas turbocharger comprising a component ( 10 . 20 . 30 . 40 ) with a self-cleaning surface coating. Turbine nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung ein keramisches Material aufweist.Turbine according to claim 1, wherein the surface coating comprising a ceramic material. Turbine nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenbeschichtung ein oxidkeramisches Material aufweist.Turbine according to claim 1, wherein the surface coating having an oxide ceramic material. Turbine nach Anspruch 3, wobei die Oberflächenbeschichtung eines oder mehrere der Materialien Zirkoniumdioxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Spinell (MgAl2O4) oder Siliziumdioxid (SiO2) aufweist.Turbine according to claim 3, wherein the surface coating of one or more of the materials zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), spinel (MgAl 2 O 4 ) or silicon dioxide (SiO 2 ). Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberflächenbeschichtung eine Dicke von 50 μm aufweist.Turbine according to one of claims 1 to 4, wherein the surface coating has a thickness of 50 microns having. Abgasturbolader, umfassend eine Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Exhaust gas turbocharger comprising a turbine after a of claims 1 to 5.
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