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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinengehäuses für eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 20 2014 100 244 U1 offenbart ein Turbinengehäuse für eine Turbine eines Abgasturboladers, wobei das Turbinengehäuse mehrteilig ausgebildet ist und dabei zwei Gehäusehälften aufweist. Die Gehäusehälften werden miteinander verbunden, so dass das dadurch gebildete Turbinengehäuse zwei zumindest teilweise voneinander getrennte und von Abgas beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten aufweist. Die Fluten sind Zuführkanäle des Turbinengehäuses, mittels welchen das Abgas zu einem Turbinenrad der Turbine geführt wird. Das Turbinenrad wird dann mittels des Abgases angetrieben.
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Ferner sind Turbinengehäuse von Turbinen für Abgasturbolader sowie Verfahren zum Herstellen von solchen Turbinengehäusen aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Im Rahmen des Verfahrens wird das wenigstens zwei von Abgas durchströmbare Fluten aufweisende Turbinengehäuse durch Gießen hergestellt, wobei das Turbinengehäuse aus einem Gusswerkstoff hergestellt wird, welcher nach dem Gießen erstarrt. Dies bedeutet, dass die wenigstens zwei Fluten nicht etwa durch zwei voneinander separat hergestellte und miteinander verbundene Gehäuseteile des Turbinengehäuses, sondern durch das einstückige und durch Gießen hergestellte Turbinengehäuse gebildet werden.
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Mehrflutige Turbinen werden bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Personenkraftwagen, üblicherweise zur Restgasgehaltreduzierung und Steigerung des Ansprechverhaltens eingesetzt. Aufgrund von gusstechnischen Begrenzungen, das heißt aufgrund von technischen Limitierungen im Rahmen des Gießens wird die Turbine üblicherweise als Segmentturbine ausgebildet. Der Einsatz einer solchen Segmentturbine führt jedoch beispielsweise bei einem Vier-Zylinder-Motor aufgrund der großen Zündabstände zu turbinenseitigen Wirkungsgradnachteilen. Ferner beeinträchtigt die Segmentierung der Turbine die Auslegung des Turbinenrads, da das Turbinenrad stark belastet wird und demzufolge besonders groß ausgestaltet werden muss. Daraus resultieren ein Anstieg des Massenträgheitsmoments sowie eine Verschlechterung des Ansprechverhaltens, was wiederum einen hohen Kraftstoffverbrauch mit sich bringt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die Realisierung eines besonders effizienten beziehungsweise wirkungsgradgünstigen Betriebs der Turbine ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welches die Realisierung eines besonders effizienten beziehungsweise wirkungsgradgünstigen Betriebs der Turbine ermöglicht, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Turbinengehäuse derart gegossen wird, dass die Fluten nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs von einem Turbinenradeintrittsbereich des Turbinengehäuses fluidisch getrennt sind. Üblicherweise werden Turbinengehäuse derart gegossen, dass die Fluten bereits während des Gießens und nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs fluidisch mit dem Turbinenradeintrittsbereich beziehungsweise mit einer im Turbinenradeintrittsbereich angeordneten und den Fluten gemeinsamen, so genannten Hauptdüse verbunden sind. Das die Fluten durchströmende Abgas kann aus den jeweiligen Fluten ausströmen und in die so genannte Hauptdüse und somit den Turbinenradeintrittsbereich einströmen, so dass dadurch das jeweilige Abgas aus den jeweiligen Fluten im Turbinenradeintrittsbereich beziehungsweise der Hauptdüse zusammengeführt wird. Über die Hauptdüse beziehungsweise den Turbinenradeintrittsbereich kann das Abgas dann – im vollständig hergestellten Zustand der Turbine – ein im Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad der Turbine anströmen und antreiben.
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Dadurch, dass das Turbinengehäuse erfindungsgemäß so gegossen wird, dass die jeweiligen Fluten, welche auch als Einzelfluten oder Einzeldüsen bezeichnet werden, nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs zunächst nicht mit der Hauptdüse beziehungsweise dem Turbinenradeintrittsbereich fluidisch verbunden sind, ergibt sich die Freiheit, eine beim Gießen hergestellte Trennwand des Turbinengehäuses, durch welche die Fluten zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennt sind, im Vergleich zum Stand der Technik deutlich besser und einfacher fertigungstechnisch herstellen zu können, so dass große Baugrößen und insbesondere kleine Baugrößen des Turbinengehäuses und somit der Turbine insgesamt realisiert werden können. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können die eingangs beschriebenen und bei herkömmlichen Verfahren auftretenden, gusstechnischen Begrenzungen überwunden werden, so dass sich besonders kleine Baugrößen des Turbinengehäuses beziehungsweise der Turbine auf einfache Weise realisieren lassen.
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Somit ist es beispielsweise möglich, bei kleinen Verbrennungskraftmaschinen, das heißt bei Verbrennungskraftmaschinen mit nur geringem Hubvolumen die Stoßaufladung zu realisieren und eine konsequente Weiterführung des Downsizing zu realisieren, so dass sich ein besonders effizienter beziehungsweise optimaler Betrieb der Turbine und der dazugehörigen Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt. Insbesondere ist es möglich, die Turbine als kleine Zwillingsstromturbine herzustellen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein optimierter Betriebsbereich der Turbine durch eine Reaktionsgradanpassung realisiert werden. Ferner sind Wirkungsgradvorteile der turbinenseitigen Strömungsmaschine ebenso darstellbar die ein verbesserter Ladedruckaufbau. Ferner können eine verbesserte Verbrennungsregelung, ein verbessertes Instationärverhalten, ein geringerer Kraftstoffverbrauch und somit geringere CO2-Emissionen realisiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Turbinengehäuse nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs im Turbinenradeintrittsbereich derart bearbeitet wird, dass die Fluten nach dem Bearbeiten mit dem Turbinenradeintrittsbereich fluidisch verbunden sind. Dadurch ist es während des Betriebs der Turbine möglich, dass das die jeweiligen Fluten beziehungsweise Einzelfluten durchströmende Abgas aus den Einzelfluten ausströmt und in den Turbinenradeintrittsbereich beziehungsweise die Hauptdüse einströmen kann, so dass das Abgas das im fertig hergestellten Zustand im Turbinengehäuse angeordnete Turbinenrad über die Hauptdüse beziehungsweise im Turbinenradeintrittsbereich anströmen und dadurch antreiben kann. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, das Turbinengehäuse zunächst so zu gießen, dass die Fluten nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs zunächst noch von dem Turbinenradeintrittsbereich fluidisch getrennt sind, so dass, wenn die Fluten von Abgas durchströmt werden würden, das Abgas nicht aus den Fluten aus- und in den Turbinenradeintrittsbereich beziehungsweise die Hauptdüse einströmen könnte. Durch das Bearbeiten des Turbinengehäuses nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs wird jedoch eine jeweilige fluidische Verbindung zwischen den Einzelfluten und der Hauptdüse hergestellt, so dass das Abgas aus den Einzelfluten aus- und in die Hauptdüse einströmen kann. Dadurch, dass die Einzelfluten nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs zunächst noch durch den Gusswerkstoff von dem Turbinenradeintrittsbereich getrennt, das heißt nicht mit dem Turbinenradeintrittsbereich verbunden sind, können bei herkömmlichen Verfahren existierende gusstechnische Begrenzungen umgangen werden, so dass das Turbinengehäuse auf einfache Weise besonders klein, das heißt mit geringer Baugröße ausgebildet werden kann.
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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 der einzigen Figur 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 der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, welches durch Gießen derart hergestellt wird, dass zwei Fluten des Turbinengehäuses nach einem Erstarren eines Gusswerkstoffs zunächst von einem Turbinenradeintrittsbereich des Turbinengehäuses fluidisch getrennt sind.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, dient. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen von Abgas durchströmbaren Abgastrakt auf, in welchem die von dem Abgas durchströmbare Turbine 10 angeordnet ist. Ferner weist die Verbrennungskraftmaschine einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt auf, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine Luft ansaugt. Der Abgasturbolader weist einen in der Fig. nicht erkennbaren und im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet wird. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist der Verdichter von der Turbine 10 antreibbar, so dass im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie genutzt werden kann, um die Luft zu verdichten.
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Der Abgasturbolader umfasst ein Laufzeug, welches auch als Rotor bezeichnet wird. Der Rotor umfasst eine in der Fig. nicht erkennbare Welle sowie ein Verdichterrad des Verdichters, wobei das Verdichterrad drehfest mit der Welle verbunden ist. Der Rotor ist um eine Drehachse 12 drehbar, wobei das Verdichterrad zum Verdichten der Luft dient. Ferner umfasst der Rotor ein in der Fig. ausschnittsweise erkennbares Turbinenrad 14 der Turbine 10. Die Turbine 10 umfasst darüber hinaus ein Turbinengehäuse 16, wobei der Rotor um die Drehachse 12 relativ zum Turbinengehäuse 16 drehbar ist. Das Turbinenrad 14 des Rotors und der Turbine 10 ist ebenfalls drehfest mit der Welle verbunden. Wie im Folgenden noch erläutert wird, ist das Turbinenrad 14 von dem Abgas antreibbar, so dass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad 14 angetrieben werden kann.
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Die Turbine 10 ist vorliegend als zweiflutige Turbine und dabei beispielsweise als Zwillingsstromturbine ausgebildet, welche auch als Twin-Scroll-Turbine bezeichnet wird. Die vorliegend als Zwillingsstromturbine ausgebildete Turbine 10 beziehungsweise ihr Turbinengehäuse 16 umfasst hierbei zwei von dem Abgas durchströmbare Fluten 18 und 20, welche durch das vorliegend einstückig ausgebildete Turbinengehäuse 16 gebildet und zumindest teilweise durch eine Trennwand 22 des Turbinengehäuses 16 fluidisch voneinander getrennt sind. Das Turbinengehäuse 16 weist ferner einen Aufnahmeraum 24 auf, in welchem das Turbinenrad 14 – im fertig hergestellten Zustand der Turbine 10 – angeordnet ist.
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Die Fluten 18 und 20 erstrecken sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 24 beziehungsweise Turbinenrads 14 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig und werden somit beispielsweise auch als Spiralkanäle bezeichnet. Die Fluten 18 und 20 sind Zuführkanäle und werden auch als Einzelfluten bezeichnet, wobei die Fluten 18 und 20 dazu dienen, dass die Fluten 18 und 20 durchströmende Abgas zu dem Aufnahmeraum 24 und somit zum Turbinenrad 14 zu leiten, so dass das Turbinenrad 14 von dem Abgas angetrieben wird.
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Die Fig. dient insbesondere dazu, ein Verfahren zum Herstellen des Turbinengehäuses 16 zu erläutern, wobei das Turbinengehäuse 16 durch Gießen, das heißt mittels eines Gießverfahrens hergestellt wird. Im Rahmen des Gießverfahrens wird das Turbinengehäuse 16 einstückig aus einem Gusswerkstoff hergestellt, wobei der Gusswerkstoff nach dem Gießen erstarrt. Beispielsweise wird der Gusswerkstoff in flüssigem Zustand in eine Gießform gegossen, wonach der Gusswerkstoff erstarrt. Unter dem Erstarren des Gusswerkstoffs ist dessen Übergang vom flüssigen Zustand in den festen Zustand zu verstehen. Nach dem Erstarren wird das gegossene Turbinengehäuse 16 beziehungsweise ein so genannter Gussrohling, aus welchem das Turbinengehäuse 16 gebildet wird, aus der Gießform entnommen.
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Im Rahmen des Gießverfahrens wird das Turbinengehäuse 16 nun derart gegossen, dass die Fluten 18 und 20 nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs zunächst von einem Turbinenradeintrittsbereich 26 des Turbinengehäuses 16 fluidisch getrennt sind. Im fertig hergestellten Zustand des Turbinengehäuses 16 beziehungsweise der Turbine 10 ist im Turbinenradeintrittsbereich 26 eine so genannte Hauptdüse 28 angeordnet, wobei die Fluten 18 und 20 im fertig hergestellten Zustand des Turbinengehäuses 16 fluidisch mit dem Turbinenradeintrittsbereich 26 beziehungsweise der Hauptdüse 28 verbunden sind. Sind die Fluten 18 und 20 mit dem Turbinenradeintrittsbereich 26 beziehungsweise der dort angeordneten Hauptdüse 28 fluidisch verbunden, so kann das die jeweiligen Fluten 18 und 20 durchströmende Abgas aus den Fluten 18 und 20 ausströmen und in die Hauptdüse 28 beziehungsweise in den Turbinenradeintrittsbereich 26 einströmen. Von der Hauptdüse 28 beziehungsweise dem Turbinenradeintrittsbereich 26 kann das Abgas dann in den Aufnahmeraum 24 einströmen und das Turbinenrad 14 anströmen und dadurch antreiben.
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Unmittelbar nach dem Gießen jedoch sind die Fluten 18 und 20 mittels des Gusswerkstoffs fluidisch von dem Turbinenradeintrittsbereich 26 getrennt. Dies bedeutet, dass die Fluten 18 und 20 unmittelbar nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs zunächst nicht mit dem Turbinenradeintrittsbereich 26 beziehungsweise der Hauptdüse 28 fluidisch verbunden sind. Nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs wird das Turbinengehäuse 16 beziehungsweise der Gussrohling zumindest im Turbinenradeintrittsbereich 26 derart bearbeitet, dass die Fluten 18 und 20 nach dem Bearbeiten mit dem Turbinenradeintrittsbereich 26 und somit der Hauptdüse 28 fluidisch verbunden sind. Im Rahmen des Bearbeitens wird ein in der Fig. mit einer Kreuzschraffur versehener Bereich 30 des Turbinengehäuses 16 beziehungsweise des Gussrohlings vom restlichen Turbinengehäuse 16 entfernt, insbesondere abgetragen, wodurch die Hauptdüse 28 hergestellt wird und die Fluten 18 und 20 mit der Hauptdüse 28 fluidisch verbunden werden.
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Bei diesem Bearbeiten des Turbinengehäuses 16 nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs handelt es sich um eine mechanische Bearbeitung, insbesondere eine spanende Bearbeitung, durch welche ein Teil des Gusswerkstoffs nach dem Erstarren dieses unter Verbindung der Fluten 18 und 20 mit der Hauptdüse 28 abgetragen wird. Dieser genannte Teil des Gusswerkstoffs entspricht dabei dem in der Fig. mit der Kreuzschraffur versehenen Bereich 30.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei welchen Turbinengehäuse derart gegossen werden, dass die Fluten 18 und 20 bereits während des Gießens und somit unmittelbar nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs fluidisch mit dem Turbinenradeintrittsbereich verbunden sind, können durch das anhand der Fig. veranschaulichte Verfahren gusstechnische Limitierungen umgangen beziehungsweise vermieden werden, so dass die Turbine 10 als zweiflutige Turbine mit einer besonders geringen Baugröße ausgebildet werden kann. In der Folge lässt sich ein besonders effizienter und wirkungsradoptimaler Betrieb der Turbine 10 und somit der Verbrennungskraftmaschine realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbine
- 12
- Drehachse
- 14
- Turbinenrad
- 16
- Turbinengehäuse
- 18
- Flut
- 20
- Flut
- 22
- Trennwand
- 24
- Aufnahmeraum
- 26
- Turbinenradeintrittsbereich
- 28
- Hauptdüse
- 30
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014100244 U1 [0002]
