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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Turbolader.
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Hintergrund/Zusammenfassung
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Turbolader erhöhen die Ausgangsleistung eines Motors durch Lenken eines Abgasstroms von dem Motor zum Antreiben einer Turbine, die wiederum einen Kompressor antreibt. Der Kompressor führt die unter Druck stehende Luft in den Ansaugkrümmer des Motors und ermöglicht so, dass mehr Treibstoff verbrannt wird. Da die Turbine mit großer Geschwindigkeit rotiert, die 120.000 U/min und mehr erreichen kann und in Fluidverbindung mit dem Abgassystem steht, können der Turbolader und sein Gehäuse extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sein, die verschiedene Komponenten schlussendlich verformen können. Aufgrund dieser schädigenden Bedingungen, kann das Gehäuse von Turboladern aus Gusseisen hergestellt werden, das sehr widerstandsfähig ist, aber das Fahrzeug mit signifikantem Gewicht belastet, das schlussendlich den Treibstoffverbrauch vergrößert. Somit haben sich einige Hersteller in den letzten Jahren dazu entschlossen, Turbinengehäuse aus Metallblech herzustellen.
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Turbolader, die zwei Schichten aus Metallblech umfassen, stellen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber gusseisernen Turboladern bereit. Da Metallblech in dünneren Stücken hergestellt werden kann, kann der Turbolader leichter sein und reduziert somit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs. Darüber hinaus erhitzt sich Metallblech durch die Ansaug-Abgase vergleichbar schnell, was es den Komponenten des Abgas-Nachbehandlungssystems, nämlich dem Abgaskatalysator, ermöglicht, Betriebs-(Ansprech-)Temperaturen bei Turbolader-Motoren, egal ob Benzin- oder Dieselmotoren, schneller zu erreichen. Diese Ansprechzeit wird verlängert, wenn Gusseisen für das Turboladergehäuse verwendet wird, da es eine höhere Wärmeabsorptionsfähigkeit aufweist.
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Andererseits kann die hohe Temperatur der Abgase, die Temperaturen jenseits von 1050 °C erreicht, verglichen mit konventionellem Gusseisen schädlicher für das Metallblech sein, worin die sich sammelnden Einlassgase die Integrität des Metallblechs schädigen können. Genauer gesagt kann ein Turbinengehäuse einer Wärmeausdehnung und -Kontraktion ausgesetzt sein, was während einem Wärmezyklus auftritt, der mit dem Betrieb eines Motors einhergeht. Wenn die Wärmeverformung in dem Turbinengehäuse auftritt, wird ein Turbinenspitzenabstand zum Metallblech-Turbinengehäuse üblicherweise mehr als verdoppelt. In manchen Fällen kann der Spitzenabstand von 0,4 auf 1 mm bei einer Turbine für leichte bis mittlere Arbeitsbelastungs-Dieselanwendungen ansteigen, was einen Effizienzverlust von 8–12 % oder einen Verlust bei der Treibstoffeinsparung von 1–3 % bedeutet.
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Ein beispielhafter Ansatz zum Überwinden dieser wärmebedingten Verformung eines Turbinengehäuses wird von Bogner et al. in US-Patentanmeldung Nr. 13/984.894 gezeigt. Darin sind ein Turbolader mit einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmantel, der im Inneren des Turbinengehäuses angeordnet ist und ein Kühlmittelauslass beschrieben. In dieser Ausführungsform ist ein Kühlmittelmantel zwischen zwei Schichten eines Turbinengehäuses angeordnet.
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Jedoch haben die Erfinder potentielle Probleme mit solchen Systemen erkannt. Als ein Beispiel sind solche Kühlmittelmäntel technisch komplex, erfordern ein präzises Umformen des Turbinengehäuses und sind dementsprechend teuer in der Herstellung. Zusätzlich dazu kann der Einbau in einen Turbolader in einem Fahrzeug erfordern, dass das Turbinengehäuse größer ist, um den Turbolader aufnehmen zu können und dies führt somit zu einer größeren Gewichtsbelastung im Frontbereich. Kühlmäntel können für das Zirkulieren von Kühlfluid innerhalb des zentralen Turboladerkörpers auch komplizierte hydraulische und mechanische Verbindungen zwischen dem Turbolader und dem Verbrennungsmotor erfordern. Auch falls diese Merkmale eingebaut werden, kann es möglicherweise keine Möglichkeit zum Anordnen eines ausreichend großen Wärmetauschers zur Flüssigkeitskühlung der Turbine im Frontendbereich geben, um eine Abführung großer Wärmemengen zu ermöglichen.
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Dementsprechend ist eine Turbine, die ein Turbinengehäuse umfasst, das einen Rotor umgibt, bereitgestellt, worin das Turbinengehäuse eine Innenschicht und eine Außenschicht aus Metallblech umfasst, wobei die Außenschicht die Innenschicht in einem Abstand umgibt, um einen Zwischenraum zwischen der Innen- und der Außenschicht zu bilden. Dieser Zwischenraum stellt eine zusätzliche Isolation bereit und reduziert Wärmeverluste. Zusätzlich dazu ist ein Verstärkungselement, das einen Körper aus gewelltem oder gefaltetem Metallblech mit einer Zellenstruktur oder einem Muster umfasst, in dem Zwischenraum angeordnet, und mit zumindest einer aus der Innen- und der Außenschicht oder mit beiden gekoppelt. Das Verstärkungselement kann in symmetrischen oder asymmetrischen Abständen in einer beschränkten Distanz beabstandet sein oder kann entlang des gesamten Gehäuses angeordnet sein. In einem weiteren Beispiel kann die Verstärkung nur an einer bestimmten Position angeordnet sein, wie zwischen der Innen- und Außenschicht des Gehäuses in der Nähe der Turbinenschaufeln.
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In einem Beispiel ermöglicht das Verstärkungselement, auf Materialien mit dem Vermögen, hohen Wärmebelastungen zu widerstehen, für die Herstellung des Turbinengehäuses zu verzichten, die jedoch eine große Gewichtsbelastung wie Gusseisen darstellen. Die Zellenkonfiguration des Metallblechkörpers des Verstärkungselements kann ein geeignetes sich wiederholendes Muster umfassen. In einem Beispiel kann das Muster eine wabenförmige Struktur verwenden, so dass jede Fläche eines Sechsecks in flächenteilendem Kontakt mit der Innen- und/oder der Außenschicht des Turbinengehäuses ist. In anderen Beispielen kann das Muster verschiedene trigonometrische Geometrien umfassen, wie eine sich wiederholende Sinuswelle. Darüber hinaus kann das Muster in anderen Beispielen eine im Allgemeinen quadratische oder dreieckige Form annehmen, die in Reihe ausgerichtet ist. Die Verstärkungselemente können über Punktschweißen an Schichten des Gehäuses angebracht werden. Solche Muster und Anbringungsverfahren verleihen den Metallblech-Gehäuseschichten wünschenswerte Wärmeschutz- und Strukturverstärkungs-Eigenschaften.
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Deshalb sind die technischen Effekte, die über das Verstärkungselement erzielt werden, eine Erhöhung der thermischen Widerstandsfähigkeit und eine Reduktion der Verformung von Turbinengehäusen und kann somit dabei helfen, eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem Turbinenrotor und der Innenschicht des Gehäuses zu reduzieren. Deshalb können ein Effizienzverlust und der Treibstoffverlust reduziert werden.
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Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese alleine oder in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Es gilt zu verstehen, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um eine Auswahl an Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung jedoch genauer beschrieben werden. Sie identifiziert keine Haupt- oder wichtige Eigenschaften des beanspruchten Gegenstands, dessen Schutzumfang einzig von den Patentansprüchen definiert wird, die nach der detaillierten Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche der oben oder in jeglichem Teil dieser Offenbarung beschriebenen Nachteile lösen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Turbolader-Motors.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer Turbine in einem Abschnitt, der lotrecht zu der Welle des in 1 dargestellten Turbinenrotors ist.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht der in 2 dargestellten Turbine.
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4A–4B zeigen Beispiele für Mustern eines Verstärkungselements.
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Detaillierte Beschreibung
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Eine Turbine mit einem Metallblechgehäuse und einem Verstärkungselement ist hierin beschrieben. In einer Ausführungsform kann die Turbine ein Gehäuse mit einer ersten Innenschicht und einer zweiten Außenschicht aus Metallblech und ein stärkendes Verstärkungselement umfassen, das dazwischen angebracht ist. Das Verstärkungselement kann ein Körper aus gewelltem oder gefaltetem Metallblech sein, das ein Muster bildet. In manchen Beispielen weist das Muster eine aus einer sechseckigen Form, einer Sinuswelle und einer anderen geometrischen, sich wiederholenden Form auf. Darüber hinaus kann das Verstärkungselement in Abständen für eine beschränkte Länge oder entlang des gesamten Gehäuses beabstandet sein und kann über Punktschweißen an einer Position an die Innen- und/oder Außenschicht anbringbar sein, an der das Verstärkungselement in flächenteilendem Kontakt mit der Innen- oder Außenschicht ist. Durch Koppeln der Innen- und Außenschicht mit einem Verstärkungselement mit einer Zellenstruktur, ist es möglich, eine thermische Abnutzung von Teilen des Turbinengehäuses zu reduzieren.
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Die Zellenstruktur des Verstärkungselements stellt durch Aufrechterhalten des isolierenden Luftspalts, der den Wärmeverlust reduziert und ein schnelleres Fortschreiten zur katalytischen Betriebstemperatur fördert, eine Unterstützung bereit, während eine Form verwendet wird, die keine signifikante Menge Gewicht hinzufügt. Während Luft im Spalt vorhanden sein kann, können andere Ausführungsformen ein Vakuum verwenden. Darüber hinaus stellt die Zellenstruktur eine Festigkeit und eine durchgehende Steifigkeit bei sehr geringer Dichte bereit. Wenn beispielsweise ein Verstärkungselement mit einem Körper aus gewelltem Metallblech in einer Wabenform an jede Schicht des Gehäuses geklebt ist, kann jede sechseckige Wand des Verstärkungselements als der Schenkel eines I-Trägers agieren, und dadurch ein starkes und steifes, leichtes Verbundwandelement bilden. Ähnlich dazu können andere Ausführungsformen von geeigneten Mustern, wie geometrischen oder trigonometrischen Formen, des Verstärkungselements dem Turbinengehäuse ähnliche verstärkende Merkmale verleihen. Somit kann eine Vielzahl von geometrischen und trigonometrischen Mustern die Steifigkeit der Gehäuseschichten erhöhen, während leichtere Metalldicken (z.B. Aluminium- und Stahl-Metallblech) die für spezielle Anwendungen zu verwenden sind, zu ermöglichen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird Verbrennungsmotor 10, der eine Vielzahl von Zylindern umfasst, von denen ein Zylinder in 1 dargestellt wird, durch elektronische Motorsteuerung 12 gesteuert. Motor 10 umfasst Verbrennungskammer 30 und Zylinderwände 32 mit Kolben 36, der darin positioniert ist und mit Kurbelwelle 40 verbunden ist. Verbrennungskammer 30 ist über ein jeweiliges Einlassventil 52 und Auslassventil 54 in Kommunikation mit Ansaugkrümmer 44 und Abgaskrümmer 48 dargestellt. Jedes Einlass- und Auslassventil kann durch eine Einlassnocke 51 und eine Auslassnocke 53 betrieben werden. Alternativ dazu können eines oder mehrere der Einlass- und Auslassventile durch eine elektromechanisch gesteuerte Ventilspule und Ankeranordnung betrieben werden. Die Position von Einlassnocke 51 kann durch Einlassnockensensor 55 bestimmt werden. Die Position von Auslassnocke 53 kann durch Auslassnockensensor 57 bestimmt werden.
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Treibstoffeinspritzdüse 66 ist so positioniert dargestellt, dass sie Treibstoff direkt in die Verbrennungskammer 30 des Zylinders einspritzt, was Fachleuten als Direkteinspritzung bekannt ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann Treibstoff an einer Einlassöffnung eingespritzt werden, was Fachleuten als Saugrohreinspritzung bekannt ist. Treibstoffeinspritzdüse 66 führt flüssigen Treibstoff proportional zu der Impulsbreite von Signal FPW von Steuereinheit 12 zu. Treibstoff wird über ein Treibstoffsystem (nicht dargestellt), einschließlich eines Treibstofftanks, einer Treibstoffpumpe und eines Treibstoffzuteilers (nicht dargestellt) der Treibstoffeinspritzdüse 66 zugeführt. Die Treibstoffeinspritzdüse 66 wird vom Treiber 68, der auf Steuereinheit 12 anspricht, mit Betriebsstrom versorgt. Ein Hochdruck-Zweistufen-Treibstoffsystem kann verwendet werden, um einen höheren Treibstoffdruck an Einspritzdüsen 66 zu erzeugen. Allerdings können auch andere geeignete Einspritzdüsen verwendet werden.
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Zusätzlich dazu ist Ansaugkrümmer 44 in Kommunikation mit optionaler elektronischer Drossel 62 dargestellt, die eine Position von Drosselplatte 64 einstellt, um eine Luftströmung von Ansaugladekammer 46 zu steuern. Kompressor 162 saugt Luft aus Lufteinlass 42 an, um Ladekammer 46 damit zu versorgen. Abgase drehen die Turbine 164, die über Welle 161 mit Kompressor 162 gekoppelt ist. Es gilt anzuerkennen, dass die Turbine 164 im Allgemeinen durch einen Kasten dargestellt wird. Wie jedoch unter Bezugnahme auf 2–5 hierin genauer besprochen werden wird, weist die Turbine 164 eine zusätzliche Komplexität auf. Der Kompressor 162, die Welle 161 und die Turbine können in einen Turbolader eingebaut sein.
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Verteilerloses Zündsystem 88 stellt einen Zündfunken über Zündkerze 92 als Antwort auf eine Steuereinheit 12 an die Verbrennungskammer 30 bereit. Universeller Abgassauerstoff-(UEGO)Sensor 126 ist stromauf eines Katalysators 70 an Abgaskrümmer 48 gekoppelt dargestellt. Alternativ dazu kann ein Abgassauerstoffsensor mit zwei Zuständen mit einem UEGO-Sensor 126 ersetzt werden.
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Wandler 70 kann in einem Beispiel mehrere Katalysatorziegel umfassen. In einem weiteren Beispiel können mehrere Emissionssteuervorrichtungen, jede mit mehreren Ziegeln, verwendet werden. Wandler 70 kann in einem Beispiel ein Dreiweg-Katalysator sein.
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Steuereinheit 12 ist in 1 als ein konventioneller Mikrocomputer dargestellt, der Folgendes umfasst:
Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse 104, Nur-Lesespeicher 106, Direktzugriffsspeicher 108, Keep-Alive-Memory 110 und einen konventionellen Datenbus. Steuereinheit 12 ist dargestellt, wie sie zusätzlich zu den zuvor besprochenen Signalen verschiedene Signale von Sensoren empfängt, die mit Motor 10 gekoppelt sind, einschließlich der Folgenden: Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von Temperatursensor 112, der mit Kühlmantel 114 gekoppelt ist; eines Positionssensors 134, der mit einem Beschleunigungspedal 130 zum Abfühlen der Gaspedalposition gekoppelt ist, die von Fuß 132 eingestellt wird; eines Klopfsensors zum Bestimmen der Zündung von Endgasen (nicht dargestellt); eine Messung des Motoransaugkrümmerdrucks (MAP) von Drucksensor 122, der mit Ansaugkrümmer 44 gekoppelt ist; eines Motorpositionssensors von einem Hall-Effekt-Sensor 118, der die Position der Kurbelwelle 40 abfühlt; einer Messung von Luftmasse von Sensor 120 (z.B. einem Heißdrahtluftströmungsmeter), die in die Maschine einströmt; und einer Messung der Drosselposition von Sensor 58. Auch der Luftdruck kann zum Verarbeiten durch Steuereinheit 12 abgefühlt werden (Sensor nicht dargestellt). In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Beschreibung erzeugt Motorpositionssensor 118 eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle, aus denen Motorgeschwindigkeit (U/min) bestimmt werden kann.
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In manchen Ausführungsformen kann der Motor in einem Hybrid-Fahrzeug mit einem Elektromotor-/Batteriesystem gekoppelt sein. Das Hybrid-Fahrzeug kann eine parallele Konfiguration, eine Reihen-Konfiguration oder eine Variation oder Kombinationen daraus aufweisen. Ferner können in manchen Ausführungsformen auch andere Motorkonfigurationen verwendet werden, z.B. ein Dieselmotor.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Turbine 164 in einem Querschnitt normal zu der Welle des Turbinenrotors 204. Die Turbine 164 ist eine Radialturbine, die einen Rotor 204 umfasst, der in einem Turbinengehäuse 202 angeordnet ist und rotierbar von einer Welle 161 getragen wird. Welle 161 ist ebenfalls operabel mit Kompressor 162 verbunden. Der Rotor 204 rotiert um die Rotationsachse 208. Wie bereits zuvor besprochen kann die Turbine 164 fluidisch mit der Verbrennungskammer 30, die in 1 dargestellt ist, gekoppelt sein und kann deshalb Abgase empfangen, die aus einem Zylinderkopf davon austreten, um Turbine 164 anzutreiben. Um ein radiales Einströmen in Rotor 204 zu ermöglichen, weist der Einlassdurchlass 200, der stromab in einen Strömungskanal 218 einmündet, ein spiralförmiges oder schneckenförmiges Design auf, was sicherstellt, dass die Einströmung von Abgas in die Turbine 164 ausreichend radial ist. Das Turbinenrad weist eine sechseckige Form 206 auf, für die ein Stecker oder ein Schlüssel verwendet werden kann, um ein Anbringen des Rads als Teil des Gehäuses zur Montage der Anordnung an die Welle 161 zu erleichtern. Der Rotor 204 kann über Reibungs- oder Elektronenstrahlschweißen oder in anderen Ausführungsformen über jedes andere geeignete Anbringungsverfahren an die Welle 161 gekoppelt werden.
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Die Turbine 164 umfasst ferner einen Auslassdurchlass 220, der konfiguriert ist, Abgas von dem Turbinenrotor 204 zu erhalten. Eine Turbinenauslassströmungsführung 222 kann bereitgestellt und in die Turbine eingebaut sein, um konfiguriert zu werden, Abgas von dem Turbinenrotor 204 zu Stromab-Bestandteilen zu leiten. Es gilt anzuerkennen, dass die Turbinenauslassströmungsführung 222 einen Teil der Grenze des Auslassdurchlasses 220 definiert.
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In manchen Ausführungsformen kann die Turbine 164 einen Umleitungsdurchlass (nicht dargestellt) umfassen, der stromauf und stromab des Turbinenrotors 204 fluidisch gekoppelt ist. Ein Ladedruckventil einschließlich eines Aktuationsmechanismus kann in dem Umleitungsdurchlass positioniert sein. Ein Ladedruckventil kann konfiguriert sein, die Strömung von Abgas durch den Umleitungsdurchlass einzustellen. Deshalb kann die Abgasströmung durch den Umleitungsdurchlass in manchen Ausführungsformen während bestimmten Betriebsbedingungen erheblich blockiert sein. Schnittebene 250 definiert den in 3 dargestellten Querschnitt.
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Das Turbinengehäuse 202 umfasst eine Innenschicht 210 und eine Außenschicht 212, die eine erste (innere) und eine zweite (äußere) Schicht aus Metallblech definieren, worin das Metallblech ein Material wie Stahl, Aluminium etc. sein kann. Gehäuse 202 erstreckt sich in einer Spirale rund um die Welle 161 und folgt dem Strömungskanal 218 bis zum Eintritt des Abgases in den Rotor 204. Eine der Gehäuseschichten definiert den Strömungspfad von Abgas durch die Turbine 164. Um zu ermöglichen, dass die Turbine 164 an den Auslassdurchlass angebracht wird, kann Gehäuse 202 mit einem ringförmigen Einlassflansch 224 versehen werden, der an einem radialen Ende des Turbinengehäuses positioniert ist. Im Allgemeinen wird das Abgas, das an dem Einlassflansch 224 empfangen wird, ins Innere des Turbinengehäuses geleitet und entlang durch das runde Gehäuse zum Drehen des Turbinenrotors 204 geströmt.
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Außenschicht 212 kann im Wesentlichen dieselbe Oberflächenform von Innenschicht 210 aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann sie konfiguriert sein, eine andere Form aufzuweisen. In manchen Beispielen weist Außenschicht 212 im Wesentlichen dieselbe Dicke auf wie Innenschicht 210. In anderen Beispielen kann die Außenschicht dicker sein als die Innenschicht, was zu einer verbesserten Isolation und reduzierten Wärmeverlusten führen kann. Darüber hinaus kann eine dickere Außenschicht eine verbesserte Reißfestigkeit bereitstellen. In einem Beispiel kann die Innenschicht des Metallblechs 0,5 bis 1,5 mm dick sein, die von einer dickeren Metallblech-Außenschicht umgeben ist, die eine Dicke im Bereich von 1,5 bis 5 mm aufweist. Somit kann die Metallblech-Außenschicht in manchen Ausführungsformen gegebenenfalls bis zu dreimal dicker sein als die Innenschicht. In manchen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen der Innen- und der Außenschicht von Metallblech zumindest 1 mm bis zu einem Maximum von etwa 8 mm betragen. Beispielsweise liegt der Abstand in einem Bereich von 2 mm bis 5 mm. Der Raum, der zwischen der Außen- und der Innenschicht gebildet wird, kann als ein Zwischenraum dienen, wie unten besprochen wird.
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Wie in 2 gesehen werden kann, ist die Außenschicht im Wesentlichen über das gesamte Gehäuse gleichmäßig von der Metallblech-Innenschicht beabstandet. Aus technischen Formgründen können auch kleinere Abstände oder größere Abstände (z.B. in Bereichen, die das Gehäuse mit dem Abgaskrümmer verbinden) zwischen der Innen- und der Außenschicht des Turbinengehäuses implementiert werden. Beispielsweise können die Innen- und die Außenschicht direkt miteinander und/oder mit dem Abgaskrümmer auf gasdichte Weise an einer oder mehreren Positionen entlang des Gehäuses über Schweißen oder Verschrauben gekoppelt werden. Es ist ebenfalls möglich, anstelle von Schweißen oder Verschrauben andere Verbindungstechniken für diese Verbindungen zu verwenden, wie Falten, Hartlöten, Löten, Schraubverbindungen, Kopplungsringe, Flansche etc. oder Kombinationen aus den verschiedenen Verbindungsarten.
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Jede Gehäuseschicht (innen und außen) kann als ein Teil hergestellt werden (z.B. gegossen) oder kann ein oder mehrere Teile umfassen, die getrennt gebildet wurden und anschließend verschweißt wurden oder über ein anderes geeignetes Mittel aneinander angebracht wurden. Zusätzlich dazu können die Innen- und Außenschichten des Metallblechs über verschiedene Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Außenschicht 212 über Prägen oder Hydroformen hergestellt werden, und die Innenschicht 210 kann durch Gießen hergestellt werden. Darüber hinaus können die Toleranzen der gegossenen Innenschicht größer sein als die Toleranzen der gestanzten Außenschicht. Deshalb kann ein erwünschtes Strömungsmuster in den Turbinenschnecken erzielt werden, wodurch Verluste innerhalb der Turbine verringert werden und die Effizienz des Turboladers erhöht wird. Gießen ist außerdem ein kostengünstigeres Herstellungsverfahren als Prägen. Somit können die Herstellungskosten für den Turbolader reduziert werden. Andere Verfahren, die bei der Herstellung der Innen- und Außenschicht verwendet werden können, umfassen Formen (Biegen, Walzen etc.) und Schneiden.
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Wie bereits zuvor erwähnt, kann ein Zwischenraum 216 zwischen der Innen- und Außenschicht des Metallblechs gebildet sein, die einen geeigneten Abstand aufweisen, wie in einem Bereich zwischen 1 mm und 8 mm. Die Gegenwart eines Zwischenraums kann dem Gehäuse zusätzliche Isolationseigenschaften verleihen.
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Zwischen der Innenschicht 210 und der Außenschicht 212 in dem Zwischenraum 216 ist zumindest ein Verstärkungselement 214 angeordnet. Verstärkungselement 214 erstreckt sich radial um den Rotor 204 und ist in der dargestellten Ausführungsform (2) mit der Innenschicht 210 und der Außenschicht 212 gekoppelt. In einer Ausführungsform umfasst Verstärkungselement 214 einen Körper aus gewellten oder gefalteten Schichten eines Metallblechs, die ein Muster bilden. Der Körper des Verstärkungselements kann Metallblech mit einer glatten Oberfläche und/oder einer texturierten Oberfläche umfassen. Außerdem kann das Verstärkungselement mit einer Dicke von zwischen 1 und 5 mm hergestellt werden, so dass es ohne inakzeptable Gewichtszunahme mit dem Gehäuse montiert werden kann, die die Nützlichkeit des Verstärkungselements in einem Fahrzeug-Turbolader beschränken würde.
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In einem Beispiel umfasst das Muster des Verstärkungselements eine Vielzahl von Sechsecken, um eine wabenähnliche Struktur zu bilden. In einem weiteren Beispiel ist das Muster eine andere, sich wiederholende geometrische Form, wie eine Reihe von Quadraten (wie in 2 dargestellt) oder Dreiecken. In noch einem weiteren Beispiel kann das Muster eine trigonometrische Welle, wie eine Sinuswelle, umfassen.
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Das Verstärkungselement steht in flächenteilendem Kontakt mit einer ersten Oberfläche der Außenschicht, die dem Turbinenrotor zugewandt ist und einer zweiten Oberfläche der Innenschicht, die von dem Turbinenrotor abgewandt ist. In einer Ausführungsform sind zumindest eine der flächenteilenden Kontaktoberflächen des Verstärkungselements und eine der Außen- oder Innenschicht durch Punktschweißen oder einen anderen geeigneten Mechanismus verbunden, um eine im Wesentlichen unbewegliche und permanente Kopplung zwischen jeder gemeinsamen Oberfläche an einer speziellen Position zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform kann das Verstärkungselement in Abständen mit einer ersten Oberfläche der Außenschicht, die dem Turbinenrotor zugewandt ist und mit einer zweiten Oberfläche der Innenschicht, die dem Turbinenrotor abgewandt ist, punktverschweißt sein, so dass das Verstärkungselement mit einem ersten Abstandsintervall mit der Innenschicht, aber nicht mit der Außenschicht verschweißt ist und so dass das Verstärkungselement mit einem zweiten Abstandsintervall mit der Außenschicht, aber nicht mit der Innenschicht verschweißt ist. In einer alternativen Ausführungsform können jegliche flächenteilenden Kontaktoberflächen zwischen dem Verstärkungselement und einer Schicht des Turbinengehäuses punktverschweißt sein.
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Zusätzlich dazu kann eine Vielzahl von getrennten Verstärkungselementen mit der Innen- und der Außenschicht gekoppelt sein und in Abständen im gesamten Turbinengehäuse verteilt sein. Somit kann die Vielzahl von getrennten Verstärkungselementen an speziellen Abstandsintervallen entlang des gesamten Turbinengehäuses angeordnet sein, so dass es beabstandete Oberflächen gibt, die nicht mit Verstärkungselementen gekoppelt sind und andere beabstandete Oberflächen gibt, die mit Verstärkungselementen gekoppelt sind. Die speziellen Abstandsintervalle können symmetrische oder asymmetrische Intervalle entlang des Turbinengehäuses sein. In einem weiteren Beispiel sind die Verstärkungselemente durchgängig entlang des gesamten Turbinengehäuses mit der Innen- und/oder Außenschicht gekoppelt. Beispielsweise umfasst das Verstärkungselement in der in 2 dargestellten Ausführungsform ein sich wiederholendes Quadratmuster, das in Bezug auf die Innenschicht 210 sowie die Außenschicht 212 eine Zwischenschicht bildet.
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In alternativen Ausführungsformen kann die Vielzahl an Verstärkungselementen an einer oder mehreren Positionen des Turbinengehäuses angeordnet sein, wie an einer Position in der Nähe eines Schneckenteils des Turbinengehäuses, wie in 3 dargestellt. Somit sind die Verstärkungselemente an bestimmten Positionen angeordnet, die als besonders anfällig für thermische Belastungen und Verformungen angesehen werden, um zusätzliche Stärke und Unterstützung bereitzustellen. Somit kann ein Schwellenabstand zwischen der Innenschicht und dem Turbinenrotor aufrechterhalten werden, so dass Verluste der Turbineneffizienz und des Treibstoffverbrauchs verhindert werden können.
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Zusätzlich dazu kann das Muster der Zellenstruktur des Verstärkungselements durch eines der Folgenden gebildet werden, jedoch nicht beschränkt auf: Schneiden, Biegen, Walzen, Punktschweißen, Prägen, Gießen, Hartlöten, Schmieden, Ausbrechen, Ziehen, Stanzen und Hydroformen.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht der Turbine 164 entlang des Schnitts der Schnittebene 250 aus 2. Die Innenschicht 210 und Außenschicht 212 des Gehäuses 202 sind dargestellt. Beide Schichten erstrecken sich in der dargestellten Ausführungsform axial in Bezug auf die Rotationsachse der Turbine 164, von einem Wellengehäuse 350 bis zu einem Teil des Turbinenrotors 204. In anderen Ausführungsformen jedoch kann die Innenschicht 210 der Turbinenströmungsführung 222 umfassen und kann sich deshalb axial an dem Turbinenrotor 204 vorbei erstrecken. Das Wellengehäuse 350 kann Welle 161, die den Turbinenrotor 204 mit einem Kompressorrotor koppelt, der in den in 1 dargestellten Kompressor 162 eingebaut ist, zumindest teilweise umgeben. Das Wellengehäuse kann einen oder mehrere Träger mit inneren und äußeren Laufrillen, Rollelementen etc. umfassen.
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Es gilt anzuerkennen, dass eine Abgasströmung aus dem ersten Schneckendurchlass 300 und dem zweiten Schneckendurchlass 302 zu dem Turbinenrotor 204 gelenkt wird. Die Innenschicht kann auch eine Grenze der Schneckenkanäle wie Schneckendurchlass 300 und 302, definieren. In dieser Ausführungsform werden die Grenzen des ersten Schneckendurchlasses 300 und des zweiten Schneckendurchlasses 302 durch ein konisches Trennelement 306, das von dem Gehäuse aus in Richtung des Rotors erstreckt, definiert. In einem weiteren Beispiel kann das Trennelement auch eine andere Form aufweisen. Das Trennelement 306 grenzt an die Oberfläche der Innenschicht, die dem Turbinenrotor zugewandt ist, an. Somit wird ein Teil der Grenze des ersten Schneckendurchlasses 300 und des zweiten Schneckendurchlasses 302 von dem Trennelement 306 und der Innenschicht 210 definiert.
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Das Trennelement 306 kann durch Prägen, Hydroformen oder Gießen der Innenschicht des Gehäuses hergestellt werden. Das Trennelement 306 kann auch ein separates Teil sein, das unabhängig von Gehäuse 202 gebildet wurde und kann durch Schweißen, Formen oder einen Kopplungsflansch angebracht werden. In noch einer weiteren Ausführungsform ist kein Trennelement bereitgestellt, so dass nur ein einziger Schneckendurchlass vorhanden ist.
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In manchen Ausführungsformen kann eine hitzeresistente Beschichtung 301 auf einer Oberfläche des Trennelements 306 vorhanden sein. Das Trennelement 306 umfasst ein Ende 308, benachbart zu dem Turbinenrotor 204, das einen Raum 310 dazwischen definiert. In einer Ausführungsform beträgt Raum 310 weniger als 0,2 mm. Jedoch ist Raum 310 in anderen Ausführungsformen ein anderer Schwellenabstand. Es gilt anzuerkennen, dass wenn das Trennelement 306 über Prägen hergestellt wird, dieses Trennungsausmaß des Trennelements 306 und des Turbinenrotors 204 erzielt werden kann. Im Speziellen kann das Prägen ermöglichen, dass das Trennelement mit einer 0,2-mm-Toleranz hergestellt wird, während ein Gießen ermöglicht, dass das Trennelement mit einer 1,5-mm-Toleranz hergestellt wird. Wird darüber hinaus ein Prägen zur Herstellung des Trennelements 306 verwendet, kann die Breite des Trennelements verglichen mit Herstellungsverfahren wie Gießen verringert werden. Wenn die Breite des Trennelements verkleinert wird, wird Abgas effizienter an die Turbine weitergeleitet, wodurch Verluste verringert werden und die Effizienz der Turbine erhöht wird.
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Jedoch kann der Abstand von Raum 310 zwischen dem Rotor 204 und dem Trennelement 306 aufgrund einer hohen thermischen Belastung vergrößert werden. Dies führt zu erhöhten thermischen und Druckverlusten in der Turbine, wodurch der Impulseinfang und die Effizienz der Turbine reduziert werden. Deshalb kann das Verstärkungselement 214, das an einer Position in der Nähe des Trennelements angeordnet ist, dazu dienen, diese unerwünschte Vergrößerung von Raum 310 zu verhindern oder zu verzögern.
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4A–4B zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines Verstärkungselements einschließlich eines Körpers aus gewelltem oder gefaltetem Metallblech mit einem oder mehreren Mustern. Die in 4A–4B dargestellten Verstärkungselemente sind nicht beschränkende Beispiele für oben beschriebenes Verstärkungselement 214. Die Muster des Verstärkungselements, das mit jeder Schicht des Turbinengehäuses gekoppelt ist, helfen dabei, die Metallblechschichten des Turbinengehäuses zu verstärken, so dass die Abstände von der Innenschicht und dem Rotor widerstandsfähig gegenüber Veränderungen sind, die durch physikalische Belastungen verursacht werden. In der speziellen Ausführungsform aus 4A umfasst das Muster eine Waben- oder sechseckige Form, wenn es aus einem horizontalen Querschnitt des Verstärkungselements aus betrachtet wird. Innere Oberfläche 402 des sechseckigen Verstärkungselements 400 kann mit der inneren Oberfläche der Innenschicht des Gehäuses (z.B. der Oberfläche der Innenschicht, die dem Zwischenraum zugewandt und vom Rotor abgewandt ist) punktverschweißt sein, während die äußere Oberfläche 404 des sechseckigen Verstärkungselements mit der inneren Oberfläche der Außenschicht des Gehäuses (z.B. der Oberfläche der Außenschicht, die dem Zwischenraum und dem Rotor zugewandt ist) punktverschweißt sein. Somit sind beide Schichten des Gehäuses sicher und unumkehrbar mit dem Verstärkungselement und miteinander gekoppelt. Jedoch kann das sechseckige Verstärkungselement 400 in manchen Beispielen mit nur einer der Innen- oder Außenschicht punktverschweißt sein. Punktverschweißen stellt ein rasches (d.h. automatisierbare), einfaches und kostengünstiges Verfahren zum sicheren Anbringen eines dünnen Metallblechs des Verstärkungselements an eine oder mehrere Schichten des Gehäuses bereit, was die Gesamtkosten der Herstellung im Vergleich mit anderen Schweißverfahren reduziert.
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4B zeigt zusätzliche Beispiele für Querschnitts- und Teilansichten eines Verstärkungselements. In einem Beispiel kann der Metallblechkörper des Verstärkungselements gewelltes Metallblech umfassen, das eine sich wiederholende Sinuswelle bildet, wie in der Querschnittsansicht von Verstärkungselement 420 gesehen werden kann. Die Spitzen 422 und Täler 424 von Sinuswelle 414 können mit den inneren Oberflächen der Außenschicht 410 und Innenschicht 412 punktverschweißt sein. Wiederum dienen diese Anbringungen dazu, die Strukturintegrität und Festigkeit des Metallblech-Gehäusekörpers zu verbessern.
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Nachstehend ist das zuvor erwähnte Muster eine weitere Ausführungsform des Verstärkungselements mit einem im Allgemeinen quadratischen oder rechteckigen, sich wiederholenden Muster, wenn es als Querschnitt betrachtet wird. In diesem Beispiel kann das Verstärkungselement 430 mit einem Muster 416 durch eine Vielzahl von geraden Linien gebildet werden, die sich normal zu der Innenschicht 412 bis zur Außenschicht 410 erstrecken, die auch normal an einer Position zur Linie des Verstärkungselements an einer Position ausgerichtet sein können, an der sich die Außenschicht und das Verstärkungselement schneiden. Jedes Ende der geraden Linie des Verstärkungselements kann durch Punktschweißen oder einen anderen geeigneten Mechanismus an symmetrisch oder asymmetrisch beabstandeten Intervallen an die Innen- und/oder Außenschicht angebracht sein.
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Schließlich ist in dem letzten Beispiel ein Verstärkungselement 440 mit einem Querschnittsmuster von sich wiederholenden Dreiecken 418 dargestellt, worin eine oder mehrere Ecken eines Dreiecks an die innere Oberfläche der Innenschicht 412 und/oder Außenschicht 410 angebracht sein können. In einer Ausführungsform kann ein einziges Muster von dem Metallblechkörper des Verstärkungselements gebildet werden. Jedoch ist es möglich, mehr als ein Muster zu erhalten, das von dem Metallblechkörper des Verstärkungselements gebildet wird. Es gilt anzuerkennen, dass ein oder mehrere Muster für ein Verstärkungselement nicht auf die zuvor erwähnten Muster beschränkt sind und können verschiedene Konfigurationen und Ausführungsformen umfassen.
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Das Muster des Metallblechkörpers des Verstärkungsstücks kann durch Folgendes gebildet werden, ist jedoch nicht beschränkt auf: Prägen, Gießen, Punktschweißen, Walzen, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Formpunzieren, Perforieren, Hohlprägen etc. In manchen Beispielen kann das Verstärkungselement vorgeformt werden, um seine Form an die zu verstärkenden Innen- und Außenschichten anzupassen. In einem weiteren Beispiel kann das Verstärkungselement eine ausreichende Flexibilität aufweisen, um sich bei Aufbringen auf die Schichten ohne Vorformen an die Form der Innen- und Außenschicht anzupassen.
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Der technische Effekt des Bereitstellens einer Turbine mit einem Turbinengehäuse mit einem Verstärkungselement ist eine gesamtheitlich verbesserte Stützstruktur, was zu einer reduzierten Verformung des Turbinengehäuses führt, insbesondere in Regionen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie an dem Gehäuse in der Nähe des Turbinenrotors und des Schneckenteils. Das Bereitstellen von Verstärkungskomponenten auf dem Turbinengehäuse führt, verglichen mit einer oder mehreren nicht verstärkten Metallblechschichten oder einer oder mehreren Schichten, die durch eine konventionelle Verstärkungsplatte ohne Muster verstärkt werden, zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze. Somit können die hierin offenbarte Turbine und das Verfahren dabei helfen, eine Vergrößerung des Turbinenspitzenabstands zum Metallblechturbinengehäuse zu verhindern. Infolgedessen werden ein Effizienzverlust und der Treibstoffverbrauch minimiert.
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Somit stellen die hierin beschriebenen Systeme eine Turbine bereit, die ein Gehäuse umfasst, das einen Rotor umgibt. Das Gehäuse umfasst eine Innenschicht und eine Außenschicht, wobei die Außenschicht die Innenschicht mit einem Abstand umgibt, um einen Zwischenraum zwischen der Innen- und der Außenschicht zu bilden. Das Gehäuse umfasst ferner ein Verstärkungselement, das innerhalb des Zwischenraums angeordnet ist und zum Aufrechterhalten einer Schwellenlänge zwischen der Innenschicht und dem Rotor mit zumindest einer der Innen- und der Außenschicht gekoppelt ist.
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Das Verstärkungselement kann einen Körper aus gewellten oder gefalteten Schichten eines Metallblechs umfassen, die ein Muster bilden. In einem Beispiel weist das Muster eine wabenartige Form auf, so dass der Querschnitt des Verstärkungselements eine Vielzahl von Sechsecken ist. In einem weiteren Beispiel ist das Muster eine gewellte Welle, so dass der Querschnitt des Verstärkungselements eine Sinuswelle ist. In einem weiteren Beispiel ist das Muster eine Vielzahl von Quadraten oder Dreiecken, die in Reihe ausgerichtet sind.
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Das Verstärkungselement kann in flächenteilendem Kontakt mit einer ersten Oberfläche der Außenschicht, die dem Turbinenrotor zugewandt ist und mit einer zweiten Oberfläche der Innenschicht stehen, die von dem Turbinenrotor abgewandt ist. In einem Beispiel ist das Verstärkungselement durch Punktschweißen mit einer oder mehreren der Innen- und Außenschicht gekoppelt. Die Innen- und Außenschicht des Gehäuses können an einer oder mehreren Positionen entlang des Gehäuses über Schweißen oder Verschrauben miteinander verbunden sein.
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In einem Beispiel umfasst die Turbine ferner einen Schneckenteil, der in einem Raum um den Turbinenrotor bereitgestellt ist, und konfiguriert ist, Abgase von einem Abgaskrümmer zu erhalten und den Turbinenrotor anzutreiben. Die Innenschicht kann eine Grenze des Schneckenteils definieren. Das Verstärkungselement kann an einer Region in der Nähe des Schneckenteils mit der Außen- und Innenschicht gekoppelt sein.
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In einem Beispiel ist das Verstärkungselement eines aus einer Vielzahl von Verstärkungselementen, und die Vielzahl von Verstärkungselementen ist in symmetrischen Intervallen in Abständen entlang des Gehäuses beabstandet. In einem weiteren Beispiel ist das Verstärkungselement in dem Zwischenraum entlang des gesamten Gehäuses angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt ein hierin beschriebenes System eine Turbine bereit, die ein Gehäuse mit einer Innenschicht und einer Außenschicht und einen Zwischenraum umfasst, der dazwischen gebildet ist. Das Gehäuse umfasst ferner ein oder mehrere Verstärkungselemente, worin ein oder mehrere Verstärkungselemente in flächenteilendem Kontakt mit einer ersten Oberfläche der Außenschicht, die einem Turbinenrotor zugewandt ist und einer zweiten Oberfläche der Innenschicht steht, die von dem Turbinenrotor abgewandt ist. In einem Beispiel sind ein oder mehrere Verstärkungselemente durch Punktschweißen mit einer oder mehreren der Innen- und Außenschicht gekoppelt. In einem weiteren Beispiel können ein oder mehrere Verstärkungselemente in gleichmäßigen Intervallen entlang des gesamten Gehäuses beabstandet sein.
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Ein oder mehrere Verstärkungselemente können einen Körper aus gewellten oder gefalteten Schichten eines Metallblechs umfassen, die einen Querschnitt eines Sechsecks aufweisen. In einem weiteren Beispiel ist das Muster eine wellenförmige Welle, so dass der Querschnitt des Verstärkungselements eine Sinuswelle ist. In einem weiteren Beispiel ist das Muster eine Vielzahl aus Quadraten oder Dreiecken, die in Reihe ausgerichtet sind.
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In einer alternativen Ausführungsform stellt ein hierin beschriebenes System eine Turbine bereit, die ein Gehäuse mit einer Außenschicht und einer Innenschicht und einen Zwischenraum, der dazwischen gebildet ist, umfasst. Das Gehäuse umfasst ferner ein Verstärkungselement, das in dem Zwischenraum angeordnet ist. In einem Beispiel weist das Verstärkungselement einen Querschnitt eines Sechsecks auf und ist durch Punktschweißen mit einer ersten Oberfläche der Außenschicht, die einem Turbinenrotor zugewandt ist und einer zweiten Oberfläche der Innenschicht, die von dem Turbinenrotor abgewandt ist, gekoppelt.
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In einem Beispiel ist das Verstärkungselement eines aus einer Vielzahl von Verstärkungselementen, und die Vielzahl von Verstärkungselementen ist in symmetrischen Intervallen in Abständen entlang des Gehäuses beabstandet. In einem weiteren Beispiel ist das Verstärkungselement an einer oder mehreren Positionen durch Schweißen oder Verschrauben entlang des gesamten Gehäuses angeordnet.
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Es gilt anzuerkennen, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Abläufe beispielhafter Natur sind, und dass diese speziellen Ausführungsformen nicht in beschränkendem Sinne auszulegen sind, da mehrere Variationen möglich sind. Beispielsweise kann die obige Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, 4-Boxermotor und anderen Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hierin offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
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Die nachfolgenden Patentansprüche geben insbesondere bestimmte Kombinationen und Teilkombinationen, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden, an. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder ein Äquivalent davon beziehen. Es gilt zu verstehen, dass solche Patentansprüche die Aufnahme eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei zwei oder mehrere solcher Elemente weder erforderlich sind noch ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Präsentation neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Patentansprüche werden, unabhängig davon, ob ihr Schutzumfang verglichen mit den originalen Patentansprüchen breiter, enger, gleich oder anders ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung miteingeschlossen betrachtet.
