CN112771192A - 具有用于高温应用的钢材料的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮增压器(1)，其包括涡轮壳体(21)，该涡轮壳体具有用于涡轮增压器(1)的涡轮转子盘(12)的容纳区域（1）和至少一个涡轮螺旋通道(22)，该容纳区域相对于涡轮壳体轴线(2a)居中地布置，该至少一个涡轮螺旋通道螺旋地朝向用于该涡轮转子盘(12)的容纳区域渐缩，其中，在该涡轮壳体中布置了废气门阀或具有支承盘和引导叶片的可变排气引导装置，该废气门阀带有主轴臂以及布置在主轴臂上的阀板，其特征在于，以下部件中的至少一个具有用于高温应用的钢材料(21a)：涡轮壳体、主轴臂和阀板、或支承盘和引导叶片，该钢材料的材料组成除了铁，Fe之外还包括至少以下合金成分，其量在按重量百分比计的指定限度内：碳，C：0.4‑0.5%；硅，Si：1.25‑1.75%；锰，Mn：3.0‑12.0%；铬，Cr：19.5‑20.5%；镍、Ni：5.0‑6.0%；铌、Nb：1.00‑1.5%。所述材料组成确保了部件的足够的耐温性，同时相对于其他高温材料具有更低的镍含量和更低的价格。

Description

具有用于高温应用的钢材料的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器具有一种用于高温应用的钢材料，特别是一种适合在高达1000℃以上的高温下使用的钢材料。

背景技术

新技术的发展和相应装置和方法的进一步发展在朝向更高性能和效率的同时减少资源的使用，这常常与对所用材料在强度、耐温性、耐腐蚀性和可加工性方面的增加的需求相协调。此外，价格在工业使用中自然也起重要作用。

这种提出越来越高要求的技术挑战在汽车工程中、并且特别是在其中使用的内燃发动机的开发中是传统的。

为了在实现内燃发动机的功率不变或甚至增加的同时减少燃料消耗和污染物排放，越来越多的情况是将小体积发动机构思，即所谓的小型化构思作为起点，其配备有排气涡轮增压器以用于增加功率的目的。在此，特别是在汽油内燃发动机的情况下，高达1000℃以上的普遍的高排气温度构成了排气涡轮中所用材料的主要挑战。这里存在进一步增加操作温度以便能够更有效地利用燃烧期间产生的热能的趋势。此外，在汽油内燃发动机中还存在其中λ接近1的稀燃操作的趋势，由此排气温度附加地增加。因此，在排气区域中使用的材料上的热负载，也就是说也在涡轮增压器中使用的材料上的热负载增加。

排气涡轮增压器的操作原理在于，利用排气流中所含的能量来提高内燃发动机的进气管道中的压力，从而实现使燃烧室更好地充入大气氧，并因此允许在每个燃烧过程中转化更多的燃料、汽油或柴油，也就是说提高内燃发动机的功率。

为此，排气涡轮增压器具有布置在内燃发动机排气管道中的排气涡轮，布置在进气管道中的新鲜空气压缩机和布置在它们之间的转子轴承。排气涡轮具有涡轮壳体和布置在其中的涡轮叶轮，涡轮叶轮由排气质量流驱动。新鲜空气压缩机具有压缩机壳体和布置在其中的压缩机叶轮，压缩机叶轮构建增压压力。涡轮叶轮和压缩机叶轮旋转地结合布置在被称为转子轴的公共轴的相对端上，并且因此形成所谓的涡轮增压器转子。转子轴在涡轮叶轮和压缩机叶轮之间轴向延伸穿过布置在排气涡轮和新鲜空气压缩机之间的转子轴承，并且相对于转子轴轴线在径向和轴向方向上可旋转地安装在所述转子轴承中。根据该结构，由排气质量流驱动的涡轮叶轮经由转子轴驱动压缩机叶轮，从而相对于新鲜空气质量流在新鲜空气压缩机下游增加内燃发动机的进气管道中的压力，并且从而确保燃烧室更好地充入大气氧。

此外，为了影响流到涡轮叶轮上的排气质量流，通常在涡轮壳体内设置一装置。这里，存在可选地提供的基本上两个不同的装置。这一方面是所谓的废气门阀，或者另一方面是所谓的可变涡轮几何形状(VTG)。

废气门阀可用于根据需要将经过涡轮叶轮的排气质量流直接引导到排气涡轮下游的排气管道中，而可变涡轮几何形状可用于影响到达涡轮叶轮的排气质量流的方向和流率。

根据内燃发动机的旋转速度和排气质量流量，废气门阀或可变涡轮几何形状以取决于负载要求的方式设置，使得涡轮和压缩机叶轮的旋转速度以及压力比，特别是在排气涡轮处，可以保持在排气涡轮增压器的期望工作范围内。

为了能够借助于排气涡轮增压器以更高的效率利用内燃发动机中燃烧期间产生的热能，排气温度保持尽可能高，如已经提到的。由于热的排气流过涡轮壳体，所以该涡轮壳体和布置在排气质量流中的部件在高达超过1000℃的温度下经受交替的热负载。此外，需要具有最低可能重量的部件的高强度和尺寸稳定性，也就是说减少材料的使用。

为了能够满足这些高要求，迄今已经使用了具有通常部分奥氏体结构并且特别是高达40%的高镍含量的钢材料。这样的材料是例如具有短名称1.4848(GX40CrNiSi25-20)和1.4849(GX40NiCrSiNb38-19)的铸钢材料。

材料1.4848的特征在于以下材料组成：0.3-0.5%C；1.0-2.5%Si；最大2.0%Mn；最大0.04%P；最大0.03%S；24.0-27.0%Cr；最大0.5%Mo；19.0-22.0%的Ni；其余部分为Fe。

材料1.4849具有以下材料组成：0.3-0.5%C；1.0-2.5%Si；最大2.0%Mn；最大0.03%S；18.0-21.0%Cr；最大0.5%Mo；36.0-39.0%Ni；1.2-1.8%Nb；其余部分为Fe。

高镍含量增加了材料的强度和耐久性，特别是在高达1050℃的操作温度下。然而，镍是相对昂贵的材料，因此寻求较低成本的替代物。

特别用于压力和蒸汽锅炉结构以及航空航天工程和涡轮结构中的另一种具有非常低镍含量的耐高温材料是材料1.4923（X22CrMoV12-1），其具有以下组成：0.18-0.24%C；11.0-12.5%Cr；0.3-0.8%的Ni；0.8-1.2%V；其余部分为Fe。在这种材料的情况下，蠕变强度和长时间断裂强度通过钒含量以及钼的增加的添加而增加。然而，如上文所描述的，在高于500℃的温度下，强度值已经显著下降，这显著限制了排气涡轮壳体的使用。

发明内容

因此，本发明基于提供一种排气涡轮增压器的目的，该排气涡轮增压器具有用于高温应用的钢材料，并且其特征在于低材料成本，即特别是具有低镍含量的材料，并且在高达1050℃以上的温度范围内具有足以与内燃发动机结合使用的强度和长时间断裂强度。

所述目的借助于具有根据专利权利要求1的特征的排气涡轮增压器来实现。可以单独使用或者在其不涉及相互排斥的替代方案的情况下彼此组合使用的有利实施例和改进形成从属权利要求的主题。

根据本发明，公开了一种排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器具有涡轮壳体，该涡轮壳体具有相对于涡轮壳体轴线居中布置的容纳区域，用于排气涡轮增压器的涡轮叶轮，并且具有至少一个涡轮螺旋管道，该涡轮螺旋管道以螺旋形状朝向用于涡轮叶轮的容纳区域渐缩，其中，在涡轮壳体中，布置有废气门阀，该废气门阀具有主轴臂以及布置在其上的挡板，或者布置有具有支承盘和引导叶片的可变排气引导装置。其中，以下部件中的至少一个具有用于高温应用的钢材料：涡轮壳体，主轴臂和挡板，或支承盘和引导叶片，钢材料的材料组成除了铁，Fe之外，还具有至少以下合金成分，其量在按重量百分比计的所述限度内：

碳，C：0.4-0.5%；

硅，Si：1.25-1.75%；

锰，Mn：3.0-12.0%；

铬，Cr：19.5-20.5%；

镍，Ni：5.0-6.0%；

铌，Nb：1.00-1.5%。

在根据本发明的排气涡轮增压器中使用的钢材料的另一个实施例中，特别地，合金成分硅和锰的比例中的至少一种可以指定在较窄的限度内，使得这些成分中的至少一种至少以按重量百分比计的在以下限度内的量添加：

硅，Si：1.35-1.65%；

锰，Mn：7.0-12.0%。

特别地，锰的量还可以进一步限制在9.0-12%的比例。

以这种方式，可以在更高的水平上以更高的可靠性实现所期望的材料性能。

在上述合金组成的情况下，相对于用于高温应用的已知钢材料，特别是锰、铬和铌的比例被组合地增加，并适度添加镍，这是实现材料性能的原因。所述合金在此的特征在于高耐热性和同时耐腐蚀性，特别是在内燃发动机的侵蚀性热排气中。

此外，为了获得某些性能，可以添加另外的合金成分。例如，根据本发明的材料组成可以通过添加以下提及的另外的合金成分中的至少一种来补充，所述另外的合金成分的比例至多为分别陈述的按重量百分比计的量：

钨，W：高达0.6%；

钒，V：高达0.12%；

铜，Cu：高达0.25%；

钴，Co：高达1.0%；

硫，S：高达0.03%和

磷，P：高达0.04%。

也就是说，这些元素中的至少一种以可测量的量但以高达分别陈述的限度的量被添加。然而，这些元素中的两种、三种、四种、五种或全部也可以以不同的组合被添加，但是每种仅以高达分别陈述的限度的量被添加。

根据组合，这可以对合金的各种次级材料性能，诸如可加工性、焊接性、可铸造性等具有积极的影响。

此外，不可避免的杂质可以以相对于材料性能可忽略的比例被包括。

在另一个改进的实施例中，根据本发明的排气涡轮增压器中使用的钢材料的特征在于以下事实：其具有上述另外的合金成分中的至少一种，其以每种情况下至少按重量百分比计的所陈述的量的比例被添加到所述合金中：

钨，W：至少0.3%；

钒，V：至少0.06%；

铜，Cu：至少0.1%；

钴，Co：至少0.5%；

硫，S：至少0.013%和

磷，P：至少0.02%。

结合先前定义的另外的合金成分的添加量的上限，这在每种情况下导致如下的量范围：

对于钨，W：在0.3%-0.6%之间；

对于钒，V：在0.06%和0.12%之间；

对于铜，Cu：在0.1%和0.25%之间；

对于钴，Co：在0.5%和1.0%之间；

对于硫，S：在0.013%和0.03%之间和

对于磷，P：在0.02%和0.04%之间。

这里，所述钢材料具有以在所述量范围内的量的这些另外的元素中的至少一种。然而，所述钢材料还可以具有以在所述限度内的量的两种、三种、四种、五种或所有所述另外的元素。

高锰含量和其他合金成分有助于所期望材料性能的进一步提高，并且特别是导致铁素体在升高的材料温度下逐渐转变成奥氏体。此外，耐腐蚀性增加。

因此，根据本发明的排气涡轮增压器中使用的钢材料的另一个实施例的特征在于该钢材料具有完全奥氏体结构的事实。这导致材料结构中σ相形成的显著减少，并有助于获得和稳定所期望的材料性能。

通过根据本发明的排气涡轮增压器中使用的钢材料的所述材料组成，实现了在排气涡轮增压器的涡轮壳体中使用所需的关于最小屈服强度、拉伸强度和耐腐蚀性的材料性能，同时大大降低了镍含量，从而相对于迄今常规的高温材料降低了材料成本。

这尤其是这样实现的，即合金成分在组成和量方面彼此协调，并且可能限定在窄限度内，使得形成高比例的奥氏体结构，理想地高达100%。

根据本发明的排气涡轮增压器具有涡轮壳体，该涡轮壳体具有用于排气涡轮增压器的涡轮叶轮的容纳区域，该容纳区域相对于涡轮壳体轴线居中地布置，并具有至少一个排气螺旋管道，该至少一个排气螺旋管道以螺旋形状朝向用于涡轮叶轮的容纳区域渐缩。具有主轴臂和布置在其上的挡板的废气门阀，或具有支承盘和引导叶片的可变排气引导装置VTG布置在涡轮壳体中。这基本上对应于如在引言中已经描述的布置。根据本发明的排气涡轮增压器的特征在于以下事实：涡轮壳体，主轴臂和挡板，或支承盘和引导叶片中的至少一个部件具有根据本发明的钢材料，该钢材料具有如上文所描述的实施例中的一个中所描述的合金组成。

对应的排气涡轮增压器的特征在于使用寿命延长以及操作可靠性提高。这借助于针对应用优化的所述部件的材料性能，特别是关于耐高温性，同时以相对于由高合金镍合金构成的常规部件的降低价格来实现。

在不脱离本发明的范围的情况下，根据本发明的主题的实施例的特征和特征组合，只要它们不可替代地使用或不相互排斥，也可以单独地，部分地或完全地彼此组合使用，或者以便在根据本发明的主题的开发中彼此补充。

附图说明

将借助于附图更详细地讨论根据本发明的排气涡轮增压器的对应实施例，其中：

图1以半截面图示示出了具有废气门阀的排气涡轮增压器的示意性简化图示，并且

图2以四分之一截面图示示出了具有可变排气引导装置的排气涡轮增压器的三维图示。

在功能和名称方面相同的部件在所有附图中由相同的附图标记表示。

具体实施方式

该图以示意性简化的半截面图示示出了排气涡轮增压器1的基本结构，该排气涡轮增压器具有废气门阀，如在引言中已经以宽泛的术语描述的。

通常，如图1和图2中所图示的，传统的排气涡轮增压器1具有多部件结构。这里，可布置在内燃发动机的排气管道中的涡轮壳体20，可布置在内燃发动机的进气管道中的压缩机壳体30以及涡轮壳体20和压缩机壳体30之间的轴承壳体40串联布置在公共涡轮增压器轴线2上并且在组装方面彼此连接。排气涡轮增压器1的另外结构单元是具有转子轴14的涡轮增压器转子10、布置在涡轮壳体20中的涡轮叶轮12和布置在压缩机壳体30中的压缩机叶轮13。涡轮叶轮12和压缩机叶轮13布置在公共转子轴14的相对端上并且与其旋转地结合连接。转子轴14在涡轮增压器轴线2的方向上轴向地延伸穿过轴承壳体40，并且在轴向和径向方向上安装在其中，以便能够围绕其纵向轴线（转子旋转轴线15）旋转，其中转子旋转轴线15位于涡轮增压器轴线2上，也就是说与涡轮增压器轴线2重合。这里，涡轮壳体轴线2a还与转子旋转轴线15和涡轮增压器轴线2成一直线。穿过涡轮壳体20的排气质量流AM和穿过压缩机壳体30的新鲜空气质量流FM均由对应的箭头图示出。

涡轮壳体20具有涡轮螺旋管道22，即所谓的排气通道，其以围绕涡轮增压器轴线2以及涡轮叶轮12的容纳区域的环布置，并且以螺旋方式朝向容纳区域和涡轮叶轮12渐缩，或者在其他变型中可能是几个。该排气通道具有切向向外引导的排气供给管道23，该排气供给管道23具有用于连接到内燃发动机的排气歧管（未示出）的歧管连接器件24，排气质量流AM通过该歧管连接器件流入相应的排气通道。排气通道还具有至少在内周向部分的一部分上延伸的环形间隙开口，即所谓的排气入口间隙25，其在至少部分径向方向上朝向涡轮叶轮12延伸，并且排气质量流AM通过该环形间隙开口流到涡轮叶轮12上。

涡轮壳体20还具有排气排放管道26，该排气排放管道26在涡轮增压器轴线2的方向上远离涡轮叶轮12的轴向端部延伸，并具有用于连接到内燃发动机的排气系统（未图示出）的排气连接器件27。经由该排气排放管道26，从涡轮叶轮12出来的排气质量流AM被排放到内燃发动机的排气系统中。根据本发明的表征涡轮壳体20并且由其制造涡轮壳体20的钢材料SWst由交叉影线表示。

废气门阀29经由涡轮壳体20中的废气门管道291将涡轮叶轮12上游的排气供给管道23沿排气质量流AM的流动方向连接到涡轮叶轮12下游的沿排气质量流AM的流动方向的排气排放管道26。废气门阀29可以借助于关闭装置被打开或关闭。该关闭装置具有主轴臂292，主轴臂292可旋转地安装在涡轮壳体20中，并且在主轴臂292上布置有挡板293。在该示例中，主轴臂292和挡板293均由根据本发明的钢材料SWst制成。通过借助于外部致动器（未示出）致动主轴臂292，为了分别关闭或打开废气门阀29，挡板293密封地放置在废气门管道291的阀座294上或从废气门管道291的阀座294提起。

相反，图2示出了具有排气引导装置的排气涡轮增压器1的实施例，在这种情况下，排气引导装置是可变涡轮几何形状50，也简称为VTG。这里，具有涡轮壳体20、压缩机壳体30、轴承壳体40和涡轮增压器转子10的排气涡轮增压器1的基本结构基本上对应于图1所示的排气涡轮增压器1。然而，代替废气门阀，在此提供VTG 50。这基本上由两个环形支承盘51、52构成，这两个环形支承盘51、52在涡轮螺旋管道22和涡轮叶轮12之间的环形间隙形过渡区域中彼此以一定间隔布置，并且因此形成排气入口间隙25。多个引导叶片在排气入口间隙25中布置在支承盘51、52之间，以便分布在排气入口间隙的周向部分上。它们以可旋转安装的方式容纳在至少一个支承盘中，并且它们的旋转位置可以借助于布置在所述支承盘的后侧上的致动机构55以及外部致动器（未图示出）来设定。在该实施例中，涡轮壳体20和支承盘51、52以及引导叶片53均由根据本发明的钢材料SWst构成。

Claims (5)

1.一种排气涡轮增压器(1)，具有涡轮壳体(21)，所述涡轮壳体带有用于所述排气涡轮增压器(1)的涡轮叶轮(12)的容纳区域以及带有至少一个涡轮螺旋管道(22)，所述容纳区域相对于涡轮壳体轴线(2a)居中布置的，所述至少一个涡轮螺旋管道以螺旋形状朝向用于所述涡轮叶轮(12)的所述容纳区域渐缩，

其中，在所述涡轮壳体中，布置了具有主轴臂以及布置在其上的挡板的废气门阀或具有支承盘和引导叶片的可变排气引导装置，

其特征在于，以下部件中的至少一个具有用于高温应用的钢材料(21a)：涡轮壳体、主轴臂和挡板、或支承盘和引导叶片，所述钢材料的材料组成除了铁，Fe之外还具有至少以下合金成分，所述合金成分的量在按重量百分比计的所陈述的限度内：

碳，C：0.4-0.5%；

硅，Si：1.25-1.75%；

锰，Mn：3.0-12.0%；

铬，Cr：19.5-20.5%；

镍、Ni：5.0-6.0%；

铌、Nb：1.00-1.5%。

2.根据权利要求1所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述钢材料具有所陈述的合金成分中的至少一种，所述合金成分的量至少在按重量百分比计的以下限度内：

硅，Si：1.35-1.65%；

锰，Mn：7.0-12.0%，特别是9.0-12%。

3.根据权利要求1或2所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述钢材料包括另外的合金成分中的至少一种，合金成分的比例最高达按重量百分比计的所陈述的量：

钨、W：高达0.6%；

钒，V：高达0.12%；

铜，Cu：高达0.25%；

钴，Co：高达1.0%；

硫、S：高达0.03%和

磷，P：高达0.04%。

4.根据权利要求3所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述钢材料包括所述另外的合金成分中的至少一种，所述合金成分的比例在每种情况下至少是按重量百分比计的所陈述的量：

钨、W：至少0.3%；

钒，V：至少0.06%；

铜，Cu：至少0.1%；

钴，Co：至少0.5%；

硫、S：至少0.013%，和

磷，P：至少0.02%。

5.根据前述权利要求中任一项所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述钢材料具有完全奥氏体结构。

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