DE102011080418A1

DE102011080418A1 - Turbolader mit Temperatursiegel

Info

Publication number: DE102011080418A1
Application number: DE201110080418
Authority: DE
Inventors: Klaus Daut
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Turboladerabgasgehäuse mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung an einem Abgasauslass einer Brennkraftmaschine, wobei eine Abgaseinlassöffnung auf einer Anschlussfläche des Befestigungsflansches ausgebildet ist. Durch die Anbringung eines Temperatursiegels, wie zum Beispiel bestehend aus einem Sackloch zur Aufnahme eines Schmelzstückes, wird eine unzulässige Betriebstemperaturüberschreitung nachträglich feststellbar gemacht. Das Schmelzstück ist in der Materialzusammensetzung so zu wählen, dass aufgrund einer unzulässig überhöhten Betriebstemperatur innerhalb des Turboladerabgasgehäuses eine Schmelze oder eine Verformung des Schmelzstückes, welches idealerweise als Zylinderstift ausgeführt ist, eintritt. Eine Signatur oder eine Identifikation kann am unteren Ende des Schmelzstückes (Formelement) eingebracht werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Turboladerabgasgehäuse mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung an einem Abgasauslass einer Brennkraftmaschine, wobei eine Abgaseinlassöffnung auf einer Anschlussfläche des Befestigungsflansches ausgebildet ist.
Stand der Technik Hintergrund der Erfindung
Turbolader werden typischerweise bei Brennkraftmaschinen, insbesondere im Fahrzeugbau verwendet, um die Saugwirkung des Motors auf der Basis der kinetischen Energie der Abgase durch die Erzeugung einer zusätzlichen Kompression beim Lufteinlass in den Zylinder zu unterstützen. Die erhöhte Luftkompression erlaubt bei gleich bleibendem Hubraum eine Verbrennung einer größeren Menge Kraftstoff, die eine Leistungssteigerung hervorruft.
Leider verhält es sich so, dass aufgrund der hohen Temperaturen des Abgasstrahls am Ende des Brennraumes hohe Anforderungen an das Abgasgehäuse des Turbolader gestellt werden. Die dazu verwendeten Werkstoffe sind so ausgelegt, dass sie den hohen Temperaturen von bis zu 1000° standhalten, wobei man diese durch die Einbringung von Nickel oder Wolfram noch beständiger macht und kurzzeitig auch 1010°C erreicht werden können.
Daran ist problematisch, dass die zur Menge der zur Schmelzpunktanhebung verwendeten Werkstoffe so gering wie möglich zu halten sind, weil diese Rohstoffe sehr teuer sind.
Alternativ ist eine Temperatursensorik einsetzbar, die die Abgastemperatur misst und die Betriebsparameter des Motors derart kontrolliert werden, dass eine Maximaltemperatur nicht überschritten wird. Somit wird eine Beschädigung des Turboladergehäuses, des Turbinenrades oder anderen Bauteilen durch eine aktive Kontrolle vermieden.
Aus EP 1 671 023 B1 ist ein Motorluftzufuhrsteuerverfahren bekannt, bei welchem die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine durch Sensoren bestimmt wird. Dabei wird auf Temperatursensoren, sowie Drucksensoren eingegangen, die in einem Rückschluss auf die Betriebstemperatur, die ihnen Turboladerabgasgehäuse zulassen. Dabei handelt es sich um eine Echtzeitüberwachung, die beispielsweise im Rennsport sinnvoll, jedoch für ein Massenprodukt in der Regel zu aufwändig und zu teuer ist.
Für den Hersteller ergibt sich die Problematik, dass sowohl die aktive Temperaturkontrolle, als auch die Verbesserung der Temperaturbeständigkeit des verwendeten Werkstoffes aufwändig beziehungsweise teuer sind. Wird auf eine derartige Kontrolle völlig verzichtet, so ist für den Hersteller nicht erkennbar, ob der Turbolader aufgrund einer Überhitzung versagt hat, oder ob ein werksseitiger Mangel vorgelegen hat.
Aufgabenstellung Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist daher ein Turboladerabgasgehäuse mit Überwachungsvorrichtung anzugeben, die kostengünstig herzustellen und auszulegen ist.
Die Aufgabe wird durch ein Turboladerabgasgehäuse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass am Befestigungsflansch ein Schmelzstück mit einer bestimmten Schmelztemperatur angeordnet ist, wobei die festgelegte Schmelztemperatur größer ist, als die maximale Betriebstemperatur des Turboladerabgasgehäuses.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schmelzstück ein Zylinderstift, ein Drahtwickelelement, eine Metallplatte oder ein Metallring. Das Schmelzstück hat, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Bestandteilen, die Funktion eines Temperatursiegels und kann auch als solches bezeichnet werden. Das verwendete Material muss einen bestimmten Schmelzpunkt aufweisen, der idealerweise durch bestimmte Einträge in das Material des Schmelzstückes festlegbar ist. Besteht das Schmelzstück beispielsweise aus Metall, so kann durch das Eintragen von Kupfer, Wolfram und/oder Nickel und/oder eines anderen chemischen Elementes eine Festlegung des Schmelzpunktes erzielt werden, wobei der Schmelzpunkt größer ist, als die maximale Betriebstemperatur des Turboladers und/oder Turboladerabgasgehäuses
Das Schmelzstück kann somit zwei Zustände annehmen, nämlich einen ungeschmolzenen Zustand und einen zumindest teilweise geschmolzenen Zustand. Am Schmelzstück ist ein zumindest teilweise aufgetretenes Schmelzbad oder eine Abweichung zur ursprünglichen Form des Schmelzstückes auch nach dem Überschreiten des Schmelzpunktes zweifelsfrei erkennbar.
Somit lässt sich ohne zusätzliche Hilfsmittel erkennen, ob der Turbolader falsch, beziehungsweise bei zu hoher Temperatur, betrieben worden ist.
Vorteilhafterweise ist das Schmelzstück in einer zur Anschlussfläche hin offenen Ausnehmung, insbesondere in einem Sackloch, des Flansches angeordnet. Auf diese Weise wird das Schmelzstück sehr nahe an die Abgasleitung des Turboladerabgasgehäuses gebracht und sichergestellt, dass aufgrund einer schnellen Wärmeleitung die Betriebstemperatur des Turboladers korrekt überwacht wird. Idealerweise liegt das Schmelzstück einer Fläche des Abgaskrümmers am Motorblock unmittelbar gegenüber. Somit ist gewährleistet, dass der Wärme sowohl über das Abgasturboladergehäuse an das Schmelzstück herangetragen wird oder auch direkt vom Krümmer (Konvektion, Kontaktleitung) auf der Schmelzstück übertragen wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schmelzstück aus dem gleichen Material wie das Turboladerabgasgehäuse gefertigt und beinhaltet zusätzliche Einträge von Zink und/oder Kupfer. Auf diese Weise ist es möglich den Schmelzpunkt des Schmelzstückes auf einen gewünschten Wert festzulegen. Dieser Schmelzpunkt liegt idealerweise geringfügig über der maximal erlaubten Betriebstemperatur des Turboladergehäuses. Vorteilhafterweise wird der Schmelzpunkt des Schmelzstückes ungefähr 10° höher festgelegt, als die maximal erlaubte Betriebstemperatur des Turboladerabgasgehäuses. Wichtig ist, dass bei maximal erlaubter Betriebstemperatur noch keine Schmelze, beziehungsweise Formänderung des Schmelzstückes eintritt, sodass eindeutig eine Überscheitung der maximal erlaubten Betriebstemperatur festgestellt werden kann.
Ferner muss bei der Ermittlung der maximal erlaubten Betriebstemperatur die Platzierung des Schmelzstückes am Befestigungsflansch berücksichtigt werden. Ausschlaggebend für den Schaden beim Überhitzen ist die Temperatur des Turbinenrads und die der Schweißnaht zur Turbinenwelle. Da die Temperatur am Flansch des Gehäuses abgenommen wird, ist klar, dass die maximal erlaubte Temperatur, diejenige ist, die auch am Flansch des Gehäuses gemessen werden kann, wenn die kritische Temperatur am Turbinenrad bzw. an der Schweißnaht zur Turbinenwelle erreicht ist. Mit anderen Worten, beide Temperaturen können durchaus verschieden sein.
Eine Grenztemperatur für die temperaturkritischen Turboladerbauteile, wie zum Beispiel das Turbinenrad, könnte bei einer typischen Abgastemperatur von 1000°C etwa bei 1050°C liegen. Diese sei beispielsweise aufgrund der mehr oder weniger guten Leitfähigkeit des Turboladergehäuses dann erreicht, wenn am Flansch die Temperatur 1000°C vorliegt. Daher könnte das dort angebrachte Schmelzstück entsprechend bei 1010°C zu schmelzen beginnen, wobei eine deutliche Deformation erst bei 1020°C eintritt. Somit ist sichergestellt, dass eine Schmelze des Schmelzstückes eine klare Feststellung der Überhitzung des Turbinenrades ermöglicht.
Vorteilhafterweise weist das Schmelzstück eine Kennung, insbesondere einen Stempel, eine Prägung oder eine Signatur, auf, wobei die Kennung nach einer Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur des Turboladerabgasgehäuses irreversibel verändert oder beschädigt ist. Beispielsweise ist es denkbar, auf dem Schmelzstück Buchstaben oder Zahlen als Kennung einzuprägen, die bei einer Überschreitung zumindest teilweise verschwinden. Damit kann zur Verifizierung des Garantieanspruchs gewährleistet werden, dass ein unbeschädigtes Schmelzstück nicht nachträglich eingesetzt worden ist, d. h. die Überwachungsvorrichtung nicht nachträglich manipuliert worden ist.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 einen Anschlussflansch eines Turboladerabgasgehäuses mit einem in der Nähe einer Einlassöffnung angeordneten Temperatursiegel,
2 eine weitere Ansicht des Anschlussflansches aus 1, und
3 eine Schnittdarstellung des Anschlussflansches aus 2.
Ausführungsbeispiel Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Anschlussflansch 14 eines Turboladerabgasgehäuses 17 mit einem in der Nähe einer Einlassöffnung 13 angeordneten Temperatursiegel 16, 15. Das Temperatursiegel 16, 15 wird aus einem Sackloch 15 und einem Zylinderstift 16 gebildet, wobei der Zylinderstift in einer Bohrung innerhalb des Sackloches 15 eingesteckt ist.
Bei der Fertigung des Turboladerabgasgehäuses 17 werden zunächst das Sackloch 15 und die Bohrung für den Zylinderstift 16 eingebracht und anschließend der Zylinderstift 16 eingesteckt und durch einen Presssitz gehalten. Als Schmelzstück wird der Zylinderstift 16 verwendet, der eine festgelegte Schmelztemperatur aufweist und bei einer Überhitzung über die maximale Betriebstemperatur von seiner Zylinderform abweicht oder sogar zu einem Klumpen zusammenschmilzt. Notwendigerweise ist der Schmelzpunkt des Turboladerabgasgehäuses 17 deutlich höher als der festgelegte Schmelzpunkt.
Das Temperatursiegel 15, 16 ist in der Nähe der Einlassöffnung 13 angeordnet, so dass dieses möglichst nahe an der Wärmequelle (Abgasstrom) angeordnet ist und in zuverlässiger Weise eine Temperaturüberschreitung anzeigen kann.
Die vier Bohrungen 12 des Befestigungsflansches 14 werden zur Befestigung desselben an beispielsweise einem Krümmer des Motorblocks oder an einer anderen Auslassschnittstelle des Brennkraftmaschine befestigt, so dass die Einleitung des Abgasstrahls in die Einlassöffnung 13 optimal gewährleistet ist. Das Temperatursiegel 15, 16 liegt somit in der Anschlussfläche 11 sehr nahe am Krümmer, beziehungsweise der Auslassschnittstelle an, die ebenfalls eine sehr gute Wärmeleitung aufweist.
Der Zylinderstift 16 kann verschiedene Formen annehmen, wie zum Beispiel eine Ringform oder eine drahtähnliche Form, die nach einer teilweisen Schmelze oder Formveränderung nicht mehr in die ursprüngliche Form bringen lassen. Das Sackloch 15 ist dazu vorgesehen das Material des Zylinderstiftes 16 so aufzufangen, dass bei einer völligen Schmelze des Stiftes 16 das verbleibende Material auch eindeutig dem Zylinderstift 16 zugeordnet werden kann.
Der Zylinderstift 16 besteht im vorliegenden Beispiel aus einer Legierung, die auf die maximale Temperatur mit Legierungselementen, wie zum Beispiel Zink oder Kupfer eingestellt worden ist. Bei einer um 10° überhöhten Temperatur über der maximalen Betriebstemperatur schmilzt der Zylinderstift 16 im Sackloch 15 und hinterlässt einen Klumpen, der teilweise die form des Sackloches 16 angenommen hat. Der Kfz-Mechaniker kann bereits in der Werkstatt bei der Demontage die unzulässige Temperaturüberschreitung feststellen und den Kunden über die nicht anerkannte Reklamation aufklären.
Vorteilhafterweise trägt der Zylinderstift 16 am unteren oder oberen Ende eine Kennung in Form eines Stempels oder einer Signatur, die gewährleistet, dass im Falle einer Reklamation der richtige Stift (mit der korrekt festgelegten Schmelztemperatur) verbaut worden ist. Gleichzeitig kann eine Fälschung ausgeschlossen werden.
Das Turboladerabgasgehäuse wird allgemein auch als Turbinengehäuse bezeichnet, da üblicherweise die kinetische Energie aufnehmende Turbine des Turboladers in diesem angeordnet ist.
2 zeigt eine weitere Ansicht des Anschlussflansches aus 1, bei der eine Schnittebene S eingezeichnet ist, die durch das Temperatursiegel 15, 16 verläuft.
3 zeigt eine Schnittdarstellung des Anschlussflansches aus 2 entlang der Schnittebene S, wie sie in 2 durch den Schnitt A entsteht. Es ist zu erkennen, dass die obere Seite des Zylinderstiftes 16 der Anschlussfläche 11 sehr nahe ist und somit auch der nicht abgebildeten, gegenüberliegenden Anschlussfläche des Krümmers. Das untere Ende des Zylinderstiftes 16 ist uneinsehbar unter dem Sackloch 15 versenkt. Zum Einsehen einer Kennung auf dem unteren Ende des Zylinderstiftes 16 muss dieser gezogen werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Turboladerabgasgehäuse mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung an einem Abgasauslass einer Brennkraftmaschine, wobei eine Abgaseinlassöffnung auf einer Anschlussfläche des Befestigungsflansches ausgebildet ist. Durch die Anbringung eines Temperatursiegels, wie zum Beispiel bestehend aus einem Sackloch zur Aufnahme eines Schmelzstückes, wird eine unzulässige Betriebstemperaturüberschreitung nachträglich feststellbar gemacht. Das Schmelzstück ist in der Materialzusammensetzung so zu wählen, dass aufgrund einer unzulässig überhöhten Betriebstemperatur innerhalb des Turboladerabgasgehäuses eine Schmelze oder eine Verformung des Schmelzstückes, welches Idealerweise als Zylinderstift ausgeführt ist, eintritt. Eine Signatur oder eine Identifikation kann am unteren Ende des Schmelzstückes (Formelement) eingebracht werden.
Bezugszeichenliste

11: Anschlussfläche
12: Bohrung
13: Einlassöffnung
14: Befestigungsflansch
15: Sackloch
16: Metallstift
17: Abgasgehäuse
A: Schnitt
S: Schnittebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1671023 B1 [0006]

Claims

Tuboladerabgasgehäuse (17) mit einem Befestigungsflansch (14) zur Befestigung an einem Abgasauslass einer Brennkraftmaschine, wobei eine Abgaseinlassöffnung (13) auf einer Anschlussfläche (11) des Befestigungsflansches (14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Befestigungsflansch (14) ein Schmelzstück (16) mit einer festgelegten Schmelztemperatur angeordnet ist, wobei die festgelegte Schmelztemperatur größer ist, als die maximale Betriebstemperatur des Turboladerabgasgehäuses.
Turboladerabgasgehäuse (17) nach Anspruch 1, wobei das Schmelzstück (16) ein Zylinderstift (14), eine Metallplatte oder ein Metallring ist.
Turboladerabgasgehäuse (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmelzstück (16) in einer zur Anschlussfläche (11) hin offene Ausnehmung (15) des Flansches (14) angeordnet ist.
Turboladerabgasgehäuse (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmelzstück (16) aus dem gleichen Material wie das Turboladerabgasgehäuse (17) gefertigt ist und zusätzliche Einträge von Zink und/oder Kupfer beinhaltet.
Turboladerabgasgehäuse (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmelzstück (16) eine Kennung, insbesondere einen Stempel, eine Prägung oder eine Signatur, aufweist, wobei die Kennung nach einer Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur des Turboladerabgasgehäuses (17) irreversibel beschädigt ist.
Turboladerabgasgehäuse (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schmelzpunkt des Schmelzstückes (16) ungefähr 10°C höher liegt, als die maximale Betriebstemperatur des Turboladerabgasgehäuses (17).