DE102020114015B3 - Turbomachine for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine (1) für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Welle (2) sowie ein Wälzlager (3) zur Lagerung der Welle (2), wobei das Wälzlager (3) mindestens einen Innenring (4a, 4b), mindestens einen Außenring (5) sowie räumlich zwischen dem mindestens einen Innenring (4a, 4b) und dem mindestens einen Außenring (5) angeordnete Wälzkörper (6a, 6b) aufweist, wobei zumindest der mindestens eine Innenring (4a, 4b) aus einer Stahllegierung ausgebildet ist, wobei die Stahllegierung mindestens 5,8 bis höchstens 6,2 Gew.-% Nickel, mindestens 4,8 bis höchstens 5,2 Gew.-% Chrom, mindestens 2,0 bis höchstens 2,4 Gew.-% Aluminium, mindestens 0,6 bis höchstens 0,8 Gew.-% Molybdän und mindestens 0,45 bis höchstens 0,55 Gew.-% Vanadium aufweist.The invention relates to a turbo machine (1) for an internal combustion engine, comprising a shaft (2) and a roller bearing (3) for supporting the shaft (2), the roller bearing (3) having at least one inner ring (4a, 4b) and at least one outer ring (5) and between the at least one inner ring (4a, 4b) and the at least one outer ring (5) arranged rolling elements (6a, 6b), at least the at least one inner ring (4a, 4b) being made of a steel alloy, wherein the steel alloy at least 5.8 to at most 6.2% by weight nickel, at least 4.8 to at most 5.2% by weight chromium, at least 2.0 to at most 2.4% by weight aluminum, at least 0, 6 to at most 0.8% by weight of molybdenum and at least 0.45 to at most 0.55% by weight of vanadium.
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine für einen Verbrennungsmotor beziehungsweise einen Turbo-Compound-Motor. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf Turbomaschinen für Verbrennungsmotoren, beispielsweise Turbolader, Elektro-Turbo, Turboverdichter, insbesondere E-Charger sowie Turbo-Compound-Konzepte im Bereich Automotive, nämlich PKW, Nutzfahrzeuge, Heavy Duty und Offroad, und Marine.The invention relates to a turbo machine for an internal combustion engine or a turbo-compound engine. The field of application extends to turbo machines for internal combustion engines, for example turbochargers, electric turbo, turbo compressors, in particular e-chargers, and turbo-compound concepts in the automotive sector, namely passenger cars, commercial vehicles, heavy duty and off-road vehicles, and marine.
Bevorzugt ist die Turbomaschine für die Verwendung in Lkw-Verbrennungsmotoren vorgesehen. Die Turbomaschine umfasst zumindest eine Welle sowie ein Wälzlager zur Lagerung der Welle. Das Wälzlager weist zumindest einen Innenring, zumindest einen Außenring sowie räumlich zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper auf.The turbomachine is preferably intended for use in internal combustion engines for trucks. The turbomachine comprises at least one shaft and a roller bearing for supporting the shaft. The roller bearing has at least one inner ring, at least one outer ring, and rolling elements that are spatially arranged between the inner ring and the outer ring.
Allgemein bekannt sind Verbrennungsmotoren auch Turbo-Compound-Motoren genannt, bei denen der Energiegehalt von Abgasen durch eine nachgeschaltete Nutzturbine verwertet wird, um die Abgase aus der Verbrennung weiter zu entspannen. Die durch die Nutzturbine rückgewonnene Energie wird anschließend über ein mechanisches oder hydraulisches Getriebe auf die Kurbelwelle übertragen, sodass der Wirkungsgrad und die Leistung des Turbo-Compound-Motors optimiert werden. Die Abgase des Turbo-Compound-Motors haben beim Öffnen der Auslassventile einen höheren Druck als die Umgebungsluft, wobei zumindest ein Teil dieses Druckgefälles zum Antrieb der Turbomaschine genutzt wird, um die Luft im Ansaugtrakt des Turbo-Compound-Motors zu komprimieren.Internal combustion engines are generally known, also called turbo-compound engines, in which the energy content of exhaust gases is utilized by a downstream power turbine in order to further relax the exhaust gases from the combustion. The energy recovered by the power turbine is then transferred to the crankshaft via a mechanical or hydraulic transmission, so that the efficiency and performance of the turbo-compound engine are optimized. When the exhaust valves open, the exhaust gases from the turbo-compound engine have a higher pressure than the ambient air, with at least part of this pressure gradient being used to drive the turbo-machine in order to compress the air in the intake tract of the turbo-compound engine.
Aus der
Allgemein ist bekannt, dass Wälzlagerringe für Turbolader aus Werkzeugstahl hergestellt werden. Beispielsweise hat sich der Werkstoff M50 hierfür etabliert, wobei dieser auch unter der Werkstoff-Nummer 1.3551 bekannt ist. Die Herstellung von Wälzlagerringen aus diesem Werkstoff ist teuer und aufwendig.It is generally known that rolling bearing rings for turbochargers are made from tool steel. For example, the material M50 has established itself for this purpose, which is also known under the material number 1.3551. The production of rolling bearing rings from this material is expensive and complex.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Turbomaschine weiterzuentwickeln, und insbesondere die Wälzlagerung der Welle der Turbomaschine kostengünstiger, resistenter und langlebiger zu gestalten. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.The object of the present invention is to further develop a turbomachine and, in particular, to make the rolling bearings of the shaft of the turbomachine more cost-effective, more resistant and more durable. The object is achieved by the subject matter of
Eine erfindungsgemäße Turbomaschine für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Welle sowie ein Wälzlager zur Lagerung der Welle, wobei das Wälzlager mindestens einen Innenring, mindestens einen Außenring sowie räumlich zwischen dem mindestens einen Innenring und dem mindestens einen Außenring angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei zumindest der mindestens eine Innenring aus einer Stahllegierung ausgebildet ist, die mindestens 5,8 bis höchstens 6,2 Gew.-% Nickel, mindestens 4,8 bis höchstens 5,2 Gew.-% Chrom, mindestens 2,0 bis höchstens 2,4 Gew.-% Aluminium, mindestens 0,6 bis höchstens 0,8 Gew.-% Molybdän und mindestens 0,45 bis höchstens 0,55 Gew.-% Vanadium aufweist.A turbo machine according to the invention for an internal combustion engine comprises a shaft and a roller bearing for mounting the shaft, the roller bearing having at least one inner ring, at least one outer ring and rolling bodies spatially arranged between the at least one inner ring and the at least one outer ring, at least the at least one inner ring from a steel alloy is formed, the at least 5.8 to at most 6.2 wt .-% nickel, at least 4.8 to at most 5.2 wt .-% chromium, at least 2.0 to at most 2.4 wt .-% aluminum , at least 0.6 to at most 0.8 wt .-% molybdenum and at least 0.45 to at most 0.55 wt .-% vanadium.
Das Wälzlager kann aus mehreren Einzellagerelementen oder als Lagerkartusche ausgebildet sein.The roller bearing can be formed from several individual bearing elements or as a bearing cartridge.
Die jeweilige Legierungszusammensetzung der Stahllegierung lässt sich beispielsweise mittels Spektralanalyse (OES) oder mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) bestimmen. Gew.-% ist die Abkürzung für Gewichtsprozent. Die auf 100 Gewichts-% fehlenden, nicht angegebenen Legierungsbestandteile werden hier und nachfolgend lediglich durch Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet.The respective alloy composition of the steel alloy can be determined for example by means of spectral analysis (OES) or by means of X-ray fluorescence analysis (XRF). % By weight is the abbreviation for percent by weight. The alloy components that are missing to 100% by weight and are not specified here and below are only formed by iron and unavoidable impurities.
Die Gew.-% Anteile der Legierungselemente Nickel, Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium in der Stahllegierung ermöglichen die Ausbildung von Wälzlagerringen, die auch bei Temperaturen über 500°C besonders resistent gegen Korrosion und Oxidation sind sowie eine hohe Maßstabilität aufweisen. Insbesondere erfolgt die Herstellung der Stahllegierung durch konventionelle Erschmelzung und Wärmebehandlung, wobei dadurch Herstellungskosten gesenkt werden. Ferner werden durch die Gew.-% Anteile der Legierungselemente Nickel, Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium die Temperaturbereiche für die Ausbildung eines martensitischen Gefüges derart in Richtung höhere Temperaturen verschoben, dass eine Unterkühlung der Stahllegierung entfällt, wobei dadurch insbesondere die Maßstabilität des Werkstücks erhöht wird. Insbesondere können solche Wälzlagerringe gegenüber Wälzlagerringe aus dem Werkstoff 100Cr6 kompakter ausgebildet werden, wodurch auch der Baurumbedarf der Wälzlagerringe verringert wird.The percentages by weight of the alloying elements nickel, chromium, aluminum, molybdenum and vanadium in the steel alloy enable the formation of rolling bearing rings that are particularly resistant to corrosion and oxidation, even at temperatures above 500 ° C, and have high dimensional stability. In particular, the steel alloy is produced by conventional melting and heat treatment, with production costs being reduced as a result. Furthermore, due to the percentages by weight of the alloying elements nickel, chromium, aluminum, molybdenum and vanadium, the temperature ranges for the formation of a martensitic structure are shifted in the direction of higher temperatures that there is no undercooling of the steel alloy, which in particular increases the dimensional stability of the workpiece becomes. In particular, such rolling bearing rings can be made more compact than rolling bearing rings made of the material 100Cr6, which also reduces the space required for the rolling bearing rings.
Der Gew.-% Anteil von Aluminium ermöglicht durch die Ausbildung einer Passivschicht an der Oberfläche des Werkstücks einen hohen Korrosions- und Oxidationswiderstand. Die Passivschicht ist insbesondere als Aluminium-Oxidschicht ausgebildet.The percentage by weight of aluminum is made possible by the formation of a passive layer on the The surface of the workpiece has a high resistance to corrosion and oxidation. The passive layer is designed in particular as an aluminum oxide layer.
Bevorzugt weist die Stahllegierung neben den oben genannten Gew.-% Anteilen der Legierungselemente Nickel, Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium ferner mindestens 0,16 bis höchstens 0,31 Gew.-% Kohlenstoff auf. Vorzugsweise weist die Stahllegierung mindestens 0,25 bis höchstens 0,31 Gew.-% Kohlenstoff auf. Insbesondere weist die Stahllegierung mindestens 0,27 bis höchstens 0,29 Gew.-% Kohlenstoff auf. Dieser Kohlenstoffgehalt hat sich vorteilhaft für die Ausbildung eines martensitischen Gefüges sowie feiner homogenverteilter Legierungskarbide, die kleiner als 1µm sind, erwiesen.In addition to the abovementioned percentages by weight of the alloying elements nickel, chromium, aluminum, molybdenum and vanadium, the steel alloy preferably also has at least 0.16 to at most 0.31% by weight carbon. The steel alloy preferably has at least 0.25 to at most 0.31% by weight of carbon. In particular, the steel alloy has at least 0.27 to at most 0.29% by weight of carbon. This carbon content has proven to be advantageous for the formation of a martensitic structure and fine, homogeneously distributed alloy carbides that are smaller than 1 µm.
Ferner bevorzugt weist die Stahllegierung neben den oben genannten Gew.-% Anteilen der Legierungselemente Nickel, Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium mindestens 0,2 bis höchstens 0,5 Gew.-% Mangan, höchstens 0,2 Gew.-% Silizium, höchstens 0,2 Gew.-% Phosphor und höchstens 0,001 Gew.-% Schwefel auf. Der Gew.-% Anteil der Legierungselemente Mangan, Silizium, Phosphor und Schwefel verringert den Anteil von Fehlstellen im Gefüge, die insbesondere aufgrund von Verunreinigungen ausgebildet werden und erhöht somit die Traglast der Wälzlagerringe.Furthermore, the steel alloy preferably has, in addition to the above-mentioned percentages by weight of the alloying elements nickel, chromium, aluminum, molybdenum and vanadium, at least 0.2 to at most 0.5% by weight manganese, at most 0.2% by weight silicon, at most 0.2% by weight of phosphorus and at most 0.001% by weight of sulfur. The percentage by weight of the alloying elements manganese, silicon, phosphorus and sulfur reduces the proportion of defects in the structure, which are formed in particular due to impurities, and thus increases the load-bearing capacity of the rolling bearing rings.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Wälzlager einen ersten Innenring und einen zweiten Innenring auf, wobei der erste Innenring turbinenseitig auf der Welle angeordnet und aus der Stahllegierung ausgebildet ist. Mit anderen Worten umfasst das Wälzlager zwei Innenringe und einen Außenring. Beispielsweise ist nur der turbinenseitige erste Innenring aus der Stahllegierung ausgebildet. Unter einer turbinenseitigen Anordnung des Innenrings ist zu verstehen, dass dieser Innenring an einer Turbine der Turbomaschine angrenzt, insbesondere zur Turbine der Turbomaschine gerichtet ist. Turbinenseitig weisen die Gase eine höhere Temperatur auf als kompressorseitig.According to a preferred embodiment of the invention, the roller bearing has a first inner ring and a second inner ring, the first inner ring being arranged on the turbine side on the shaft and being formed from the steel alloy. In other words, the roller bearing comprises two inner rings and one outer ring. For example, only the turbine-side first inner ring is made from the steel alloy. An arrangement of the inner ring on the turbine side is to be understood as meaning that this inner ring adjoins a turbine of the turbomachine, in particular is directed towards the turbine of the turbomachine. On the turbine side, the gases have a higher temperature than on the compressor side.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch der zweite Innenring, der kompressorseitig angeordnet ist, aus der Stahllegierung ausgebildet. Mithin ist gemäß dieser Ausführungsform sowohl der turbinenseitige erste Innenring als auch der kompressorseitige zweite Innenring aus der Stahllegierung ausgebildet. Unter einer kompressorseitigen Anordnung des Innenrings ist zu verstehen, dass dieser Innenring an der Kompressorseite der Turbomaschine angrenzt, insbesondere zur Kompressorseite der Turbomaschine gerichtet ist.According to a preferred embodiment of the invention, the second inner ring, which is arranged on the compressor side, is also made from the steel alloy. Thus, according to this embodiment, both the turbine-side first inner ring and the compressor-side second inner ring are made from the steel alloy. An arrangement of the inner ring on the compressor side is to be understood as meaning that this inner ring adjoins the compressor side of the turbomachine, in particular is directed towards the compressor side of the turbomachine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch der Außenring, der an einem Gehäuse angeordnet ist, aus der Stahllegierung ausgebildet. Mithin ist gemäß dieser Ausführungsform sowohl der turbinenseitige erste Innenring als auch der kompressorseitige zweite Innenring und der Außenring aus der Stahllegierung ausgebildet. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für hoch belastete Wälzlager. Die Wahl der Wälzlagerringe, die aus der Stahllegierung ausgebildet werden, ist im Wesentlichen abhängig von den mechanischen und thermischen Anforderungen, die an die Turbomaschine und insbesondere an das Wälzlager gestellt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the outer ring, which is arranged on a housing, is also made from the steel alloy. Accordingly, according to this embodiment, both the turbine-side first inner ring and the compressor-side second inner ring and the outer ring are made from the steel alloy. This embodiment is particularly suitable for highly loaded roller bearings. The choice of rolling bearing rings that are made from the steel alloy is essentially dependent on the mechanical and thermal requirements that are placed on the turbo machine and, in particular, on the rolling bearing.
Insbesondere ist ein Gefüge der Stahllegierung martensitisch ausgebildet und weist Legierungskarbide sowie intermetallische Phasen auf. Vorzugsweise werden Legierungskarbide mit einem Durchmesser von weniger als 500 nm im Gefüge ausgebildet. Insbesondere sind die Legierungskarbide als M7C3, M6C und MC Karbide ausgebildet und in der martensitischen Gefügematrix eingebettet, wobei „M“ das karbidformende Element ist, insbesondere Eisen, Chrom, Vanadium und Molybdän. Vorzugsweise sind die intermetallischen Phasen nanokristallin ausgebildet. Zur Ermittlung der Anteile und Größe der Gefügebestandteile der Stahllegierung eignet sich beispielsweise die Lichtmikroskopie und die Röntgenstrukturanalyse.In particular, a structure of the steel alloy is martensitic and has alloy carbides and intermetallic phases. Alloy carbides with a diameter of less than 500 nm are preferably formed in the structure. In particular, the alloy carbides are designed as M 7 C 3 , M 6 C and MC carbides and embedded in the martensitic microstructure matrix, where “M” is the carbide-forming element, in particular iron, chromium, vanadium and molybdenum. The intermetallic phases are preferably nanocrystalline. For example, light microscopy and X-ray structure analysis are suitable for determining the proportions and size of the structural components of the steel alloy.
Vorzugsweise ist die Stahllegierung dazu ausgebildet, bei mindestens 500 bis höchstens 620°C wärmebehandelt zu werden, um das Gefüge einzustellen. Insbesondere beträgt die Dauer der Wärmebehandlung zwei bis sechs Stunden, bevorzugt drei Stunden.The steel alloy is preferably designed to be heat-treated at at least 500 to at most 620 ° C. in order to adjust the structure. In particular, the duration of the heat treatment is two to six hours, preferably three hours.
Bevorzugt ist die Stahllegierung dazu ausgebildet nitriert zu werden, um die Oberflächenhärte und Tragfähigkeit des jeweiligen Wälzlagerrings zu erhöhen. Mit anderen Worten wird der jeweilige Wälzlagerring einer Aufstickung unterzogen. Dabei dringt Stickstoff in die Randzone des jeweiligen Wälzlagerrings ein. Bei diesem thermochemischen Verfahren wird die Randzone bei Temperaturen von 500 bis 600°C mit Stickstoff angereichert.The steel alloy is preferably designed to be nitrided in order to increase the surface hardness and load-bearing capacity of the respective roller bearing ring. In other words, the respective rolling bearing ring is subjected to a stitching. Nitrogen penetrates the edge zone of the respective rolling bearing ring. In this thermochemical process, the edge zone is enriched with nitrogen at temperatures of 500 to 600 ° C.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Welle dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich von 5.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Vorzugsweise ist die Welle dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich von 50.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren.According to a preferred embodiment of the invention, the shaft is designed to rotate in a speed range of 5,000 to 300,000 revolutions per minute. The shaft is preferably designed to rotate in a speed range of 50,000 to 300,000 revolutions per minute.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine.Further measures improving the invention are shown in more detail below together with the description of a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the single figure. The single figure shows a schematic longitudinal sectional illustration of a turbomachine according to the invention.
Gemäß der einzigen Figur umfasst eine Turbomaschine
Beide Innenringe
Das Gefüge der Stahllegierung ist martensitisch ausgebildet und weist Legierungskarbide sowie intermetallische Phasen auf. Zur Einstellung dieses Gefüges wurde die Stahllegierung bei mindestens 500 bis höchstens 620°C für mindestens 2 bis höchstens sechs Stunden wärmebehandelt. Diese Stahllegierung weist gegenüber bisher bekannten Stahllegierungen für Wälzlager von Turbomaschinen eine höhere thermische Stabilität bei gleichzeitig verbesserter Dauerfestigkeit auf. Insbesondere wird auch die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit erhöht sowie die Herstellung erleichtert.The structure of the steel alloy is martensitic and has alloy carbides and intermetallic phases. To establish this structure, the steel alloy was heat-treated at a minimum of 500 to a maximum of 620 ° C. for a minimum of 2 to a maximum of six hours. Compared to previously known steel alloys for rolling bearings of turbo machines, this steel alloy has a higher thermal stability with improved fatigue strength at the same time. In particular, the resistance to corrosion and oxidation is increased and production is made easier.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- TurbomaschineTurbo engine
- 22
- Wellewave
- 33
- Wälzlagerroller bearing
- 4a, 4b4a, 4b
- InnenringInner ring
- 55
- AußenringOuter ring
- 6a, 6b6a, 6b
- WälzkörperRolling elements
- 77th
- Gehäusecasing
- 88th
- Schraubescrew
Claims (10)
Priority Applications (2)
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DE102020114015.0A DE102020114015B3 (en) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | Turbomachine for an internal combustion engine |
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DE102010054904A1 (en) * | 2010-12-17 | 2012-06-21 | Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg | Bearing cartridge for a turbocharger |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |