DE102007024130A1 - Exhaust gas turbocharger with double-shell housing - Google Patents

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Ulrich Dr. Bast
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Abstract

Die Erfindung schafft einen Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (106), in dem zumindest eine Turbine angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse (106) eine Außenschale (200) aus einem metallischen Werkstoff und eine Innenschale (202) aus einem keramischen Werkstoff aufweist. Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses (106) eines Turboladers geschaffen, bei dem zunächst eine Innenschale (202) mit einem keramischen Werkstoff und eine Außenschale (200) mit einem metallischen Werkstoff bereitgestellt werden. In weiteren Schritten wird die Innenschale (202) in mindestens einen Teil der Außenschale (200) eingesetzt und eine weiche Zwischenschicht (204) zwischen die Innenschale (202) und die Außenschale (200) eingefügt.The invention provides a turbocharger for or in a motor vehicle, comprising a turbine housing (106) in which at least one turbine is arranged, wherein the turbine housing (106) comprises an outer shell (200) of a metallic material and an inner shell (202) of a having ceramic material. In another aspect, there is provided a method of manufacturing a turbocharger turbine housing (106) comprising first providing an inner shell (202) with a ceramic material and an outer shell (200) with a metallic material. In further steps, the inner shell (202) is inserted into at least a part of the outer shell (200) and a soft intermediate layer (204) is inserted between the inner shell (202) and the outer shell (200).

Description

Es ist allgemein bekannt, dass die Leistung, die Verbrauchs- und Emissionswerte von Verbrennungsmotoren durch Abgasturbolader verbessert werden können. Die Möglichkeit, mit Motoren kleineren Hubraums eine Leistung zu erreichen, die bisher hubraumstärkeren Motoren vorbehalten war, und gleichzeitig Schadstoffemissionen und Treibstoffverbrauch zu verringern, macht den Einsatz von Turboladern auch bei Benzinmotoren zunehmend attraktiv.It is well known that the performance, consumption and emission levels be improved by internal combustion engines by exhaust gas turbocharger can. The possibility of using smaller engines Capacity to achieve a performance that previously had a larger displacement Engines was reserved, and at the same time pollutant emissions and Reducing fuel consumption makes use of turbochargers also increasingly attractive for gasoline engines.

Das Grundprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, dass ein Verdichter, der angesaugte Luft zur Einleitung in die Brennräume des Motors vorverdichtet, durch eine von den Abgasen des Motors durchströmte Turbine angetrieben wird. Zur effizienten Nutzung der Abgasenergie wird dabei die Turbine in geringem Abstand zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors in den Abgaskanal eingebaut, und insbesondere stets oberhalb eines zur Abgasnachbehandlung eingesetzten Abgaskatalysators. Die aus den Brennräumen ausgeblasenen heißen Abgase durchströmen daher zunächst die Turbine des Turboladers, bevor sie dem Abgaskatalysator zugeführt werden.The The basic principle of an exhaust gas turbocharger is that a compressor, the intake air for introduction into the combustion chambers of the Engine pre-compressed, through which flows through the exhaust gases of the engine Turbine is driven. For the efficient use of exhaust gas energy while the turbine is at a short distance to the combustion chambers of the internal combustion engine installed in the exhaust duct, and in particular always above a used for exhaust aftertreatment catalytic converter. The exhaust gases blown out of the combustion chambers therefore first flow through the turbine of the turbocharger, before they are fed to the catalytic converter.

Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass sich bei Einsatz eines Turboladers die Abgastemperatur am Fahrzeugkatalysator durch die Abgabe von Wärme an den Turbolader reduziert. Dies ist insbesondere während der Kaltstartphase nachteilig, da gegenwärtige Abgaskatalysatoren unterhalb einer Betriebstemperatur von 250–300°C nahezu wirkungslos sind. Aufgrund der reduzierten Abgastemperatur erwärmt sich der Abgaskatalysator langsamer, und seine Wirkung setzt mit entsprechender Verzögerung ein. Die Folge ist eine auch unter dem Gesichtspunkt zukünftiger gesetzlicher Regelungen inakzeptable Schadstoffemission.Out This arrangement results in that when using a turbocharger the exhaust gas temperature at the vehicle catalytic converter by the release of Heat to the turbocharger reduced. This is special during the cold start phase adversely, since current Catalytic converters below an operating temperature of 250-300 ° C are almost ineffective. Due to the reduced exhaust gas temperature the catalytic converter heats up more slowly, and its Effect begins with appropriate delay. The episode is also legal from the point of view of future Regulations unacceptable pollutant emission.

Ein weiteres Problem der beschriebenen Anordnung, das besonders bei der Turboladeranwendung für Benzinmotoren entsteht, ist die im Vergleich zu Dieselmotoren wesentlich höhere Abgastemperatur. Bei Vollgasbetrieb kann diese Temperatur bis zu 1100°C betragen. Mit einer entsprechend höheren thermischen Beanspruchung der Materialien des Turboladers ist deshalb zu rechnen. Als Folge der extrem hohen Temperaturen ist nicht nur eine schnellere Ermüdung der Werkstoffe, sondern auch ein verstärkter Korrosionsangriff durch das Abgas zu erwarten, wodurch die Lebensdauer des Turboladers stark herabgesetzt wird.One Another problem of the described arrangement, especially at turbocharger application for gasoline engines is born the significantly higher exhaust gas temperature compared to diesel engines. At full throttle, this temperature can reach up to 1100 ° C be. With a correspondingly higher thermal stress The materials of the turbocharger is therefore to be expected. As a result The extremely high temperatures are not only a faster fatigue of the materials, but also a reinforced corrosion attack expected by the exhaust gas, reducing the life of the turbocharger is greatly reduced.

Aus der US 2006/0021731 A1 ist ein Turbinengehäuse für einen Turbolader bekannt, der eine innere Höhlung aufweist, die mit einer als Wärmedämmung wirkenden keramischen Beschichtung versehen ist. Da übliche Verfahren zum Aufbringen einer solchen Wärmedämmschicht wie Plasmasprühen oder Elektronenstrahlverdampfen einen gewissen Abstand zur zu beschichtenden Oberfläche erfordern, ist ihre Anwendung bei engen oder komplizierten Höhlungen behindert. Es wird statt ihrer ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein harzgebundener Sandkern in der Form der inneren Höhlung bereitgestellt wird, die keramische Beschichtung durch Sprühen stabilisierten Zirkonoxids auf den Kern aufgebracht wird, der Kern mit der keramischen Schicht in eine Gussform eingebaut wird, Stahl einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen Beschichtung in die Form gegossen wird, und der Kern entfernt wird.From the US 2006/0021731 A1 For example, a turbine housing for a turbocharger is known which has an inner cavity provided with a ceramic coating acting as a thermal insulation. Since conventional methods for applying such a thermal barrier coating such as plasma spraying or electron beam evaporation require a certain distance from the surface to be coated, their application is hindered in narrow or complicated cavities. It proposes instead a manufacturing method in which a resin-bonded sand core is provided in the shape of the inner cavity, the ceramic coating is applied to the core by spraying stabilized zirconia, the core with the ceramic layer is installed in a mold, steel of a temperature is poured below the melting temperature of the ceramic coating in the mold, and the core is removed.

Aufgrund der nicht geschlossenen Geometrie von in Turboladern verwendeten Gehäuseteilen ist jedoch zu erwarten, dass das Umgießen einer entsprechend geformten, vorgefertigten keramischen Beschichtung mit Metall beim Erstarren und Abkühlen des Metalls zu Biegespannungen in der Beschichtung führt, die die Stabilität der Beschichtung nachteilig beeinflussen.by virtue of the non-closed geometry of used in turbochargers Housing parts is expected, however, that the Umgießen a correspondingly shaped, prefabricated ceramic coating with metal during solidification and cooling of the metal to bending stresses in the coating that leads to the stability adversely affect the coating.

Ein veröffentlichtes Beispiel der Firma BorgWarner zeigt ein Gehäuse, das aus dünnem, hitzebeständigem Stahlblech statt aus Stahlguss besteht, um über eine niedrige Wärmekapazität die Aufwärmehase beim Kaltstart zu verkürzen. Das Gehäuse kann auch doppelwandig ausgeführt sein, wobei die im Zwischenraum befindliche Luft als thermische Isolierung wirkt. Weitere Ansätze bestehen z. B. aus in den Turbolader integrierten Vor-Katalysatoren oder einer Abgasführung, die in der Kaltstartphase den Turbolader umgeht. Diese Konstruktionen lösen jedoch das beschriebene Problem der Beanspruchung durch hohe Abgastemperaturen bei Benzinmotoren nicht.One published example of the company BorgWarner shows Housing made of thin, heat-resistant Steel sheet instead of cast steel consists to over a low Heat capacity during the warm-up phase Shorten cold start. The housing can also be executed double-walled, wherein in the space located air acts as a thermal insulation. Further approaches exist z. B. from integrated into the turbocharger pre-catalysts or an exhaust system that in the cold start phase the turbocharger bypasses. However, these designs solve the problem described Problem of high exhaust gas temperatures in gasoline engines not.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader bereitzustellen, der bei einfachem Aufbau und hoher Stabilität in der Lage ist, insbesondere bei Benzinmotoren auftretenden hohen Abgastemperaturen zu widerstehen, und der die Phase beim Kaltstart verkürzen kann, in der ein Fahrzeugkatalysator unwirksam ist.task The invention is to provide an exhaust gas turbocharger, the with a simple structure and high stability is able to especially in gasoline engines occurring high exhaust gas temperatures to resist, and shorten the phase during cold start can, in which a vehicle catalyst is ineffective.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt wird, innerhalb dessen zumindest eine Turbine in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse eine Außenschale mit einem metallischen Werkstoff und eine Innenschale mit e.The The object is achieved according to the invention that a turbocharger for or in a motor vehicle is provided, within which at least one turbine in a turbine housing is arranged, wherein the turbine housing an outer shell with a metallic material and an inner shell with e.

Diese Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Betrieb des Turboladers die keramische Innenschale die metallische Außenschale des Turbinengehäuses von einströmenden Abgasen hoher Temperatur thermisch isoliert, so dass insbesondere eine Anwendung in Verbindung mit Benzinmotoren ermöglicht wird, ohne dass die Verbrennungstemperatur dieser Motoren begrenzt werden muss. Weiterhin wird die innere Oberfläche der Innenschale aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials bei einem Kaltstart in kurzer Zeit erwärmt, so dass die Temperatur des aus der Turbine austretenden Abgases bei einem Kaltstart schon nach kurzer Zeit einen Grenzwert erreicht, bei dem ein nachgeschalteter Fahrzeugkatalysator wirksam wird. Aufwändige Zusatzkonstruktionen wie Vor-Katalysatoren oder Vorrichtungen zum Umgehen des Turboladers sind nicht notwendig. Der benötigte Bauraum verändert sich nicht oder nur unwesentlich.This invention is characterized in that, during operation of the turbocharger, the ceramic inner shell thermally insulates the metallic outer shell of the turbine housing from high-temperature incoming exhaust gases, so that in particular an application in connection with gasoline engines is made possible without the combustion temperature of these engines must be limited. Furthermore, due to the low thermal conductivity of the material during a cold start, the inner surface of the inner shell is heated in a short time, so that the temperature of the exhaust gas leaving the turbine reaches a threshold value after only a short time at which a downstream vehicle catalytic converter becomes effective. Elaborate additional constructions such as pre-catalytic converters or devices for bypassing the turbocharger are not necessary. The required space does not change or only marginally.

Da thermische und korrosive Beanspruchungen der Außenschale im Vergleich zu einem herkömmlichen Metallgehäuse stark verringert sind, können kostengünstige Werkstoffe für die Außenschale verwendet werden, z. B. Stahl statt in herkömmlicher Bauweise verwendeter, kostspieliger Superlegierungen oder intermetallischer Phasen. Für die Innenschale können geeignete Materialien frei ausgewählt werden, ohne dass die Wahl z. B. dadurch eingeschränkt wäre, dass wie bei einer herkömmlichen keramischen Beschichtung der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Materials mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Materials abgestimmt sein müsste.There thermal and corrosive stresses on the outer shell compared to a conventional metal case are greatly reduced, can be cost-effective materials be used for the outer shell, z. Steel instead of being used in conventional construction, more expensive Superalloys or intermetallic phases. For the Inner shell can freely select suitable materials be without the choice z. B. thereby restricted that would be like a conventional ceramic Coating the thermal expansion coefficient of the ceramic Material with the thermal expansion coefficient of the metallic Material should be coordinated.

Die Struktur tragende metallische Außenschale verleiht dem erfindungsgemäßen Turbolader dabei eine hohe mechanische Stabilität. Die getrennte Zusammensetzung des Turbinengehäuses aus einer Innen- und Außenschale ermöglicht es, die Schalen getrennt herzustellen, wodurch bei einer Herstellung im Verbund ansonsten zu erwartende Biegespannungen vermieden werden können.The Structure-bearing metallic outer shell gives the Turbocharger invention thereby a high mechanical Stability. The separate composition of the turbine housing out of an inner and outer shell allows make the shells separately, thereby producing in one otherwise expected bending stresses can be avoided in the composite can.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Innenschale dabei eine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm auf, vorzugsweise zwischen 2 mm und 3 mm. Bei einer Dicke in diesem Bereich wird eine besonders vorteilhafte Verbindung von effektiver thermischer Isolationswirkung und mechanischer Stabilität der Innenschale erreicht.According to one Embodiment, the inner shell has a thickness between 1 mm and 10 mm, preferably between 2 mm and 3 mm. With a thickness in this range, a particularly advantageous Combination of effective thermal insulation effect and mechanical Stability of the inner shell reached.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Keramikwerkstoff mindestens eines der Materialien Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Mullit (ein Mischkristall aus Al2O3 und SiO2), Siliziumnitrid und Zirkoniumdioxid auf. Aluminiumtitanat besitzt die Vorteile einer besonders niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer relativ hohen Dehnungstoleranz, aufgrund von im Material enthaltenen Mikrorissen. Mullit, Siliziumnitrid und Zirkoniumdioxid zeichnen sich durch hohe Fes tigkeit aus, wodurch sie große Freiheiten in der Formgebung der Innenschale gestatten. Optional können in den keramischen Grundmaterialien Zusätze zur Herabsetzung der Wärmeleitfähigkeit enthalten sein, was den Vorteil hat, auf diese Weise mechanische Stabilität und niedrige Wärmeleitfähigkeit in einem Material zu kombinieren.According to a further embodiment of the invention, the ceramic material comprises at least one of alumina, aluminum titanate, mullite (a mixed crystal of Al 2 O 3 and SiO 2 ), silicon nitride and zirconia. Aluminum titanate has the advantages of a particularly low thermal conductivity and a relatively high elongation tolerance due to microcracks contained in the material. Mullite, silicon nitride and zirconium dioxide are characterized by high strength, which allows great freedom in the shape of the inner shell. Optionally, additives for reducing the thermal conductivity may be present in the ceramic base materials, which has the advantage of combining mechanical stability and low thermal conductivity in one material in this way.

Gemäß einer Ausführungsform weist der keramische Werkstoff eine poröse Mikrostruktur auf, wodurch eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit erzielt wird. Eine weitere Ausführungsform sieht für die Innenschale die Verwendung eines faserverstärkten keramischen Werkstoffs vor. Beispielsweise weist der keramische Werkstoff eine Matrix aus Aluminiumoxid oder Mullit und oxidische Fasern ähnlicher oder gleicher Zusammensetzung auf.According to one Embodiment, the ceramic material has a porous Microstructure, which achieves a particularly low thermal conductivity becomes. Another embodiment provides for the Inner shell using a fiber-reinforced ceramic Material before. For example, the ceramic material has a Matrix of alumina or mullite and oxidic fibers more similar or the same composition.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale unter Druckverspannung mit der Außenschale verbunden. Hierdurch wird eine größere Stabilität der Innenschale insbesondere bei Verwendung von Materialien mit geringer Zugfestigkeit erreicht. Beispielsweise wird die mechanische Stabilität eines von Mikrorissen durchzogenen keramischen Materials wie Aluminiumtitanat durch die Druckverspannung erhöht, so dass ermöglicht wird, die Wandstärke der Innenschale entsprechend zu reduzieren.According to one Embodiment is the inner shell under compressive stress connected to the outer shell. This will make a larger Stability of the inner shell, especially when used achieved from materials with low tensile strength. For example The mechanical stability of a microcracks is traversed ceramic material such as aluminum titanate by the compression strain increased, so that allows the wall thickness to reduce the inner shell accordingly.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale mit der Außenschale beweglich verbunden, d. h. Innenschale und Außenschale können sich in Grenzen gegeneinander bewegen. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere während der Kaltstartphase, wenn Innen- und Außenschale unterschiedlich schnell erwärmt werden, Spannungen vermieden werden, da Innen- und Außenschale sich unabhängig voneinander thermisch ausdehnen können. Vorzugsweise sind Innen- und Außenschale elastisch miteinander verbunden, so dass unabhängig davon, welche Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenschale herrscht, die Innenschale ohne Spiel und daraus folgenden Vibrationen und Reibung in der Außenschale gehalten wird.According to one Embodiment is the inner shell with the outer shell movably connected, d. H. Inner shell and outer shell can move against each other within limits. this has the advantage that, in particular during the cold start phase, when Inner and outer shell heated at different speeds tensions are avoided because inner and outer shell can thermally expand independently of each other. Preferably, inner and outer shell are elastic with each other connected, so that regardless of what temperature difference between inner and outer shell prevails, the inner shell without play and consequent vibration and friction in the outer shell is held.

Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der Außenschale und der Innenschale eine Zwischenschicht angeordnet. Durch die Zwischenschicht lässt sich die Innenschale mit der Außenschale verbinden, um so zu einer größeren Stabilität zu gelangen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht ein weicheres Material aufweist als die Außenschale und die Innenschale. In diesem Fall nämlich können die beiden Schalen mittels der Zwischenschicht flexibel miteinander verbunden werden, so dass zum einen die Innenschale stabil gehalten wird, zum anderen aber verhindert wird, dass sich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen zwischen den Schalen aufbauen. Vorzugsweise ist das Material der Zwischenschicht ein metallisches oder keramisches Material mit Schaum- und/oder Faserstruktur. Derartige Materialien zeichnen sich sowohl durch Elastizität als auch durch geringe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass die weiche Zwischenschicht zur weiteren Wärmedämmung beiträgt.According to one embodiment, an intermediate layer is arranged between the outer shell and the inner shell. Through the intermediate layer, the inner shell can be connected to the outer shell in order to achieve greater stability. It is particularly advantageous if the intermediate layer has a softer material than the outer shell and the inner shell. In this case, namely, the two shells can be flexibly connected to each other by means of the intermediate layer, so that on the one hand, the inner shell is kept stable, on the other hand but prevents that build up due to different thermal expansion coefficients mechanical stresses between the shells. Preferably, the material of the intermediate layer is a metallic or ceramic material with foam and / or fiber structure. Such materials are characterized by both elasticity and low thermal conductivity, so that the soft intermediate layer contributes to further thermal insulation.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Außenschale, die Innenschale oder beide Schalen mehrstückig ausgeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich so die Innenschale in eine Geometrie des Turbinengehäuses einfügen lässt, deren innere Höhlungen größer als die Öffnungen des Gehäuses sind. Dabei kann sowohl die Außenschale mehrstückig ausgeführt werden, um das Innengehäuse in die im geteilten Zustand zugänglichen Teile des Außengehäuses einzupassen, als auch die Innenschale mehrstückig ausgeführt werden, um z. B. durch die Öffnungen des Gehäuses Teile entsprechender Dimension in die Außenschale einführen zu können.According to one Embodiment are the outer shell, the inner shell or both shells executed in several pieces. This is particularly advantageous because so the inner shell in a geometry of Turbine housing insert, whose inner cavities larger than the openings of the housing are. It can both the outer shell be made in several pieces to the inner housing in the parts accessible in the split state of the outer housing fit, as well as the inner shell made in several pieces be used to B. through the openings of the housing Insert parts of appropriate dimension into the outer shell to be able to.

Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses für einen Turbolader bereitgestellt, das sowohl als Teil der Herstellung des Turboladers als auch bei möglicher separater Herstellung des Turbinengehäuses verwendet werden kann. Gemäß dem Verfahren werden eine Innenschale mit einem keramischen Werkstoff und eine Außenschale mit einem metallischen Werkstoff bereitgestellt.Under Another aspect is a method of manufacture a turbine housing provided for a turbocharger, that both as part of the manufacture of the turbocharger as well as possible separate manufacture of the turbine housing can be used can. According to the method, an inner shell with a ceramic material and an outer shell with provided a metallic material.

Die Innenschale wird in mindestens einen Teil der Außenschale eingesetzt. Zwischen die Innenschale und die Außenschale wird eine weiche Zwischenschicht eingefügt.The Inner shell will be in at least part of the outer shell used. Between the inner shell and the outer shell a soft interlayer is inserted.

Gemäß einer Ausführungsform wird dabei die Innenschale mehrstückig bereitgestellt. Die Stücke der Innenschale werden gleichzeitig mit oder nach dem Einsetzen der Innenschale in die Außenschale zusammengefügt. Dies hat den Vorteil, dass die Teile der Innenschale so klein gestaltet werden können, dass sie durch die Öffnungen der Außenschale passen und somit die Herstellung der Außenschale einstückig erfolgen oder bei einer teilbaren Außenschale die Anzahl der Stücke begrenzt werden kann.According to one Embodiment while the inner shell is multi-piece provided. The pieces of the inner shell become simultaneously with or after inserting the inner shell into the outer shell together. This has the advantage that the parts of the Inner shell can be made so small that they through the openings of the outer shell fit and thus the manufacture of the outer shell in one piece take place or at a separable outer shell, the number the pieces can be limited.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Außenschale mehrstückig bereitgestellt, wobei die Stücke der Außenschale nach oder gleichzeitig mit dem Einsetzen der Innenschale zusammengesetzt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Innenschale einstückig ausgeführt werden kann oder die Anzahl der Stücke der Innenschale begrenzt werden kann. Weiterhin können so auch entlegene Höhlungen des Turbinengehäuses mit einer keramischen Auskleidung versehen werden.According to one Another embodiment, the outer shell is multi-piece provided, with the pieces of the outer shell after or at the same time as the insertion of the inner shell become. This embodiment has the advantage that the Inner shell can be made in one piece or the number of pieces of the inner shell to be limited can. Furthermore, so can remote caves of the turbine housing with a ceramic lining be provided.

Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Einfügens einer weichen Zwischenschicht zwischen Innenschale und Außenschale. Dabei kann je nach Ausführungsform ein Teil oder die ganze Zwischenschicht vor dem Einsetzen der Innenschale auf die Innenseite der Außenschale, oder aber auf die Außenseite der Innenschale aufgebracht werden.According to others Embodiments additionally comprise the method a step of inserting a soft intermediate layer between inner shell and outer shell. It can, depending on the embodiment a part or the entire intermediate layer before inserting the inner shell on the inside of the outer shell, or on the outside be applied to the inner shell.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the schematic figures specified embodiments explained in more detail. Show it:

1 einen Querschnitt eines üblichen Abgasturboladers, 1 a cross section of a conventional exhaust gas turbocharger,

2 einen Querschnitt eines Turbinengehäuses eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 2 a cross section of a turbine housing of a turbocharger according to an embodiment of the invention, and

3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinengehäuses eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 a flowchart of a method for manufacturing a turbine housing of a turbocharger according to an embodiment of the invention.

In allen Figuren sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.In All figures are the same or functionally identical elements and devices provided with the same reference numerals.

1 zeigt einen Aufriss eines üblichen Abgasturboladers 102 mit einer Turbine 118 und einem Verdichter 116. Innerhalb eines Turbinengehäuses 106 der Turbine 118 ist ein Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb eines Verdichtergehäuses 100 des Verdichters 116 ist ein Verdichterrad 104 ebenfalls drehbar gelagert und mit dem anderen Ende der Welle 110 verbunden. Über einen Turbineneinlass 112 wird heißes Abgas von einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor in die Turbine 118 eingelassen, wodurch das Turbinenrad 108 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlässt die Turbine 118 durch einen Turbinenauslass 114. Über die Welle 110, die das Turbinenrad 108 an das Verdichterrad 104 koppelt, treibt die Turbine 118 den Verdichter 116 an. 1 shows an elevation of a conventional exhaust gas turbocharger 102 with a turbine 118 and a compressor 116 , Inside a turbine housing 106 the turbine 118 is a turbine wheel 108 rotatably mounted and with one end of a shaft 110 connected. Inside a compressor housing 100 of the compressor 116 is a compressor wheel 104 also rotatably mounted and with the other end of the shaft 110 connected. Via a turbine inlet 112 is hot exhaust gas from an internal combustion engine, not shown here in the turbine 118 let in, causing the turbine wheel 108 is set in rotation. The exhaust gas flow leaves the turbine 118 through a turbine outlet 114 , About the wave 110 that the turbine wheel 108 to the compressor wheel 104 coupled, drives the turbine 118 the compressor 116 at.

Die Rotation des Verdichterrads 104 erzeugt einen Unterdruck am Verdichtereinlass 120, durch den Luft aus einem hier nicht gezeigten, mit der Außenluft in Verbindung stehenden Ansaugtrakt in den Verdichter 116 gesaugt wird. Die verdichtete Ansaugluft verlässt das Verdichterrad 104 in radialer Richtung und wird über einen hier nicht gezeigten Luftauslass an der Peripherie des Verdichtergehäuses 100 dem Verbrennungsmotor zugeführt.The rotation of the compressor wheel 104 creates a negative pressure at the compressor inlet 120 , By the air from a not shown here, in connection with the outside air intake in the compressor 116 is sucked. The compressed intake air leaves the compressor wheel 104 in the radial direction and is via an air outlet, not shown here at the periphery of the compressor housing 100 supplied to the internal combustion engine.

2 zeigt einen Querschnitt eines Turbinengehäuses 106 eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 shows a cross section of a turbine housing 106 a turbocharger according to an embodiment of the invention.

Das Turbinengehäuse 106 kann dabei als ein separates Bauteil z. B. im dargestellten Umfang ausgeführt sein, oder aber als Bestandteil eines weitere Bestandteile wie z. B. das Verdichtergehäuse umfassenden Turboladergehäuses. Analog zu dem in 1 dargestellten Turbolader weist das Turbinengehäuse 106 einen Turbineneinlass 112 und einen Turbinenauslass 114 auf. Das Turbinengehäuse 106 ist in Abschnitten seiner Innenfläche doppelwandig ausgeführt und weist in diesen Abschnitten eine metallische Außenschale 200 und eine keramische Innenschale 202 auf. Die Außenschale 200 ist z. B. aus Stahl oder Grauguss gefertigt und hat eine Struktur tragende, die mechanische Stabilität des Turbinengehäuses 106 bereitstellende Funktion. Die Innenschale 202 besteht aus einem keramischen Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. (teilstabilisiertes) Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid. Weitere Keramikmaterialien mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. aus den Gruppen der Perowskite, Pyrochlore oder Spinelle, können ebenfalls eingesetzt werden.The turbine housing 106 can be used as a separate component z. B. be executed in the illustrated scope, or as part of a further ingredients such. B. the compressor housing comprehensive turbocharger housing. Analogous to that in 1 shown turbocharger has the turbine housing 106 a turbine inlet 112 and a turbine outlet 114 on. The turbine housing 106 is double-walled in sections of its inner surface and has a metallic outer shell in these sections 200 and a ceramic inner shell 202 on. The outer shell 200 is z. B. made of steel or gray cast iron and has a structure-bearing, the mechanical stability of the turbine housing 106 providing function. The inner shell 202 consists of a ceramic material with low thermal conductivity, such. B. (partially stabilized) zirconia, alumina or silicon nitride. Other ceramic materials with very low thermal conductivity, such. B. from the groups of perovskites, pyrochlore or spinels can also be used.

Zwischen der Innenschale 202 und der Außenschale 200 ist eine Zwischenschicht 204 aus einem Material angeordnet, das nachgiebiger ist als Innen- 202 und Außenschale 200, z. B. aus einem keramischen Fasermaterial, oder einem metallischen oder keramischen Material mit Schaumstruktur. Durch die Zwischenschicht 204 wird die Innenschale 202 elastisch in der Außenschale 200 gehalten. Wenn sich im Betrieb die Innenschale 202 während der Kaltstartphase schneller erhitzt und infolgedessen schneller thermisch expandiert als die Außenschale 200, wird die Zwischenschicht 204 elastisch komprimiert, bis sich ein stabiles Temperaturgefälle zwischen Innen- 202 und Außenschale 200 eingestellt hat.Between the inner shell 202 and the outer shell 200 is an intermediate layer 204 made of a material that is more flexible than interior 202 and outer shell 200 , z. B. of a ceramic fiber material, or a metallic or ceramic material having a foam structure. Through the intermediate layer 204 becomes the inner shell 202 elastic in the outer shell 200 held. When in operation the inner shell 202 heated faster during the cold start phase and consequently thermally expanded faster than the outer shell 200 , becomes the intermediate layer 204 elastically compressed until a stable temperature gradient between inner 202 and outer shell 200 has set.

In der Darstellung von 2 ist zu erkennen, dass die Innenschale 202 aus mehreren Segmenten besteht, die auf der Zwischenschicht 204 aufliegen und aneinander angrenzen. Durch die mehrstückige Ausführung der Innenschale 202 können sich Fugen 206 zwischen den einzelnen Segmenten bei Veränderungen der Betriebstemperatur ausdehnen bzw. schließen, so dass Spannungen im keramischen Material weitgehend vermieden werden. Zweckmäßigerweise ist die Innenschale 202 derart in Segmente aufgeteilt, dass diese allein durch ihre geometrische Form in der Außenschale 200 gehalten werden. Dabei erlaubt es die elastische Eigenschaft der Zwischenschicht 204, die Segmente so zu dimensionieren, dass die Fugen 206 über den Bereich der Betriebstemperaturen des Turboladers stets geschlossen bleiben, bzw. dass die Segmente stets mit einer vorbestimmten Mindestkraft aneinander gedrückt werden. In diesem Fall steht die Innenschale 202 unter ständiger Druckvorspannung, was die Verwendung von keramischen Materialien geringer Zugfestigkeit wie z. B. Aluminiumtitanat erlaubt.In the presentation of 2 it can be seen that the inner shell 202 consists of several segments on the intermediate layer 204 rest and adjoin one another. Due to the multi-piece design of the inner shell 202 can joints 206 expand or close between the individual segments with changes in the operating temperature, so that stresses in the ceramic material are largely avoided. Conveniently, the inner shell 202 divided into segments so that these alone by their geometric shape in the outer shell 200 being held. It allows the elastic property of the intermediate layer 204 to size the segments so that the joints 206 always remain closed over the range of operating temperatures of the turbocharger, or that the segments are always pressed together with a predetermined minimum force. In this case, the inner shell stands 202 under constant pressure bias, which the use of low-tensile ceramic materials such. B. aluminum titanate allowed.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinengehäuses eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In Schritt 300 werden zunächst ein Innenschale mit einem keramischen Werkstoff und eine Außenschale mit einem metallischen Werkstoff bereitgestellt. In der gezeigten Ausführungsform wird dabei sowohl die Außen- als auch die Innenschale jeweils mehrstückig bereitgestellt. Während die Stücke der Außenschale z. B. durch Stahl- oder Grauguss gefertigt werden können, können zur Bereitstellung der Stücke der Innenschale herkömmliche Keramiktechnologien angewandt werden, wie z. B. Pressen oder Schlickergießen mit anschließender Verfestigung und Verdichtung durch Sintern bei hoher Temperatur. Eine alternative Herstellungsmethode für die Stücke der Innenschale ist das thermische Spritzen. Hierbei werden die einzelnen Stücke durch Spritzen der Keramik auf einen entsprechend der jeweils benötigten Form gestalteten Kern lagenweise aufgebaut und anschließend vorm Kern abgelöst. 3 shows a flowchart of a method for manufacturing a turbine housing of a turbocharger according to an embodiment of the invention. In step 300 First, an inner shell with a ceramic material and an outer shell with a metallic material are provided. In the embodiment shown, both the outer shell and the inner shell are each provided in several pieces. While the pieces of the outer shell z. B. can be made by steel or gray cast iron, conventional ceramic technologies can be used to provide the pieces of the inner shell, such. As pressing or Schlickergießen with subsequent solidification and compression by sintering at high temperature. An alternative method of manufacturing the inner shell pieces is thermal spraying. In this case, the individual pieces are built up in layers by injecting the ceramic onto a core designed in accordance with the particular shape required, and then detached from the core.

In Schritt 304 wird zur Bildung der Zwischenschicht ein Material, das weicher ist als die Materialien von Außen- und Innenschale, z. B. ein keramisches Fasermaterial, auf die Innenseite von Stücken der Außenschale aufgebracht. In Schritt 305 wird dieses Material auf die Außenseite von Stücken der Innenschale aufgebracht. Hierbei kann das Aufbringen jeweils über die gesamte Innen- bzw. Außenfläche der Stücke in der halben gewünschten Dicke der Zwischenschicht erfolgen, oder aber in der vollen gewünschten Dicke abschnittsweise entweder auf der Außenseite eines Abschnitts der Innenschale oder auf der Innenseite des entsprechenden Abschnitts der Außenschale. Das Aufbringen selbst kann durch einfaches Einlegen oder z. B. durch Befestigen mit einem geeigneten Haftmittel erfolgen.In step 304 For example, to form the intermediate layer, a material softer than the outer and inner shell materials, e.g. As a ceramic fiber material, applied to the inside of pieces of the outer shell. In step 305 This material is applied to the outside of pieces of the inner shell. Here, the application in each case over the entire inner or outer surface of the pieces in the half desired thickness of the intermediate layer take place, or in the full desired thickness in sections either on the outside of a portion of the inner shell or on the inside of the corresponding portion of the outer shell. The application itself can be done by simply inserting or z. B. by attaching with a suitable adhesive.

In Schritt 302 werden die Stücke der Innenschale in die Außenschale eingesetzt und dabei nach und nach in Schritt 306 zur Innenschale zusammengefügt. In Schritt 308 werden die Stücke der Außenschale zusammengefügt und z. B. durch Verschrauben fest miteinander verbunden. Dabei können diese Schritte 302, 303, 306 in geeigneter Weise nacheinander oder gleichzeitig erfolgen, entsprechend der jeweiligen geometrischen Aufteilung der Innen- und Außenschale in deren Stücke. Da in den Schritten 304 und 305 das Material der Zwischenschicht bereits auf die Stücke der Innen- und/oder Außenschale aufgetragen wurde, ergibt sich im Zusammenwirken der Schritte 302–308 insgesamt ein Schritt 303, durch den die Zwischenschicht zwischen Innen- und Außenschale eingefügt wird.In step 302 The pieces of the inner shell are inserted into the outer shell and gradually in step 306 assembled to the inner shell. In step 308 the pieces of the outer shell are joined together and z. B. firmly connected by screwing together. These steps can be 302 . 303 . 306 suitably sequentially or simultaneously, according to the respective geometric division of the inner and outer shell in their pieces. Because in the steps 304 and 305 the material of the intermediate layer has already been applied to the pieces of the inner and / or outer shell, results in the interaction of the steps 302 - 308 a total of one step 303 , through which the intermediate layer between the inner and outer shell is inserted.

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Claims (16)

Turbolader (102) für ein oder in einem Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (106), in dem zumindest eine Turbine (108) angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse (106) eine Außenschale (200) aus einem metallischen Werkstoff und eine Innenschale (202) aus einem keramischen Werkstoff aufweist.Turbocharger ( 102 ) for or in a motor vehicle, with a turbine housing ( 106 ), in which at least one turbine ( 108 ), wherein the turbine housing ( 106 ) an outer shell ( 200 ) of a metallic material and an inner shell ( 202 ) made of a ceramic material. Turbolader (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) eine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm, und insbesondere eine Dicke von 2 mm bis 3 mm aufweist.Turbocharger ( 102 ) according to claim 1, characterized in that the inner shell ( 202 ) has a thickness between 1 mm and 10 mm, and in particular a thickness of 2 mm to 3 mm. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Mullit, Siliziumnitrid oder/und Zirkoniumdioxid aufweist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material comprises aluminum oxide, aluminum titanate, mullite, silicon nitride or / and zirconium dioxide. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff einen Grundwerkstoff und Zusätze aufweist, durch welche die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs gegenüber dem Grundwerkstoff herabgesetzt ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material has a base material and additives, by which the thermal conductivity of the ceramic material is reduced compared to the base material. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff eine poröse Mikrostruktur aufweist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material has a porous microstructure. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff durch oxidische Fasern verstärkt ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material is reinforced by oxide fibers. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) unter Druckvorspannung mit der Außenschale (200) verbunden.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner shell ( 202 ) under pressure prestress with the outer shell ( 200 ) connected. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) mit der Außenschale (200) beweglich, insbesondere elastisch, verbunden ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner shell ( 202 ) with the outer shell ( 200 ) is movable, in particular elastic, connected. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenschale (200) und der Innenschale (202) eine Zwischenschicht (204) angeordnet ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that between the outer shell ( 200 ) and the inner shell ( 202 ) an intermediate layer ( 204 ) is arranged. Turbolader (102) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (204) ein weicheres Material aufweist als die Außenschale (200) und die Innenschale (202), und insbesondere das weichere Material ein metallisches oder keramisches Material mit Schaum- und/oder Faserstruktur ist.Turbocharger ( 102 ) according to claim 9, characterized in that the intermediate layer ( 204 ) has a softer material than the outer shell ( 200 ) and the inner shell ( 202 ), and in particular the softer material is a metallic or ceramic material with foam and / or fiber structure. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (200) und/oder die Innenschale (202) mehrstückig sind.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer shell ( 200 ) and / or the inner shell ( 202 ) are multi-piece. Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses (106) eines Turboladers (102), mit den Schritten: Bereitstellen (300) einer Innenschale (202) mit einem keramischen Werkstoff und einer Außenschale (200) mit einem metallischen Werkstoff, Einsetzen (302) der Innenschale (202) in mindestens einen Teil der Außenschale (200), und Einfügen (303) einer weichen Zwischenschicht (204) zwischen die Innenschale (202) und die Außenschale (200).Method for producing a turbine housing ( 106 ) of a turbocharger ( 102 ), with the steps: Deploy ( 300 ) an inner shell ( 202 ) with a ceramic material and an outer shell ( 200 ) with a metallic material, insertion ( 302 ) of the inner shell ( 202 ) in at least a part of the outer shell ( 200 ), and Paste ( 303 ) a soft intermediate layer ( 204 ) between the inner shell ( 202 ) and the outer shell ( 200 ). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) mehrstückig bereitgestellt wird und weiterhin ein Schritt des Zusammenfügens (306) der mehrstückigen Innenschale (202) gleichzeitig mit oder nach dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) vorgesehen ist.Method according to claim 12, characterized in that the inner shell ( 202 ) is provided in several pieces and further comprises a step of assembling ( 306 ) of the multi-piece inner shell ( 202 ) simultaneously with or after insertion ( 302 ) of the inner shell ( 202 ) is provided. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (200) mehrstückig bereitgestellt wird und weiterhin ein Schritt des Zusammenfügens (308) der mehrstückigen Außenschale (200) gleichzeitig mit oder nach dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) vorgesehen ist.Method according to one of claims 12 and 13, characterized in that the outer shell ( 200 ) is provided in several pieces and further comprises a step of assembling ( 308 ) of the multi-part outer shell ( 200 ) simultaneously with or after insertion ( 302 ) of the inner shell ( 202 ) is provided. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen (303) zumindest eines Teils der weichen Zwischenschicht (204) durch Aufbringen (304) auf eine Innenseite der Außenschale (200) vor dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) erfolgt.Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that the insertion ( 303 ) at least part of the soft intermediate layer ( 204 ) by applying ( 304 ) on an inner side of the outer shell ( 200 ) before insertion ( 302 ) of the inner shell ( 202 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen (303) zumindest eines Teils der weichen Zwischenschicht (204) durch Aufbringen (305) auf eine Außenseite der Innenschale (202) vor dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) erfolgt.Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that the insertion ( 303 ) at least part of the soft intermediate layer ( 204 ) by applying ( 305 ) on an outer side of the inner shell ( 202 ) before insertion ( 302 ) of the inner shell ( 202 ) he follows.
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