DE2514699A1

DE2514699A1 - Abgasgetriebene ladepumpe fuer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2514699A1
Application number: DE19752514699
Authority: DE
Inventors: Herbert Gasthuber; Eggert Dipl Ing Tank
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-04-04
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1976-10-14

Description

Abgasgetriebene Ladepumpe flir Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine durch die Energie der Abgase einer Brennkraftmaschine angetriebene Ladepumpe, insbesondere Abgasturbolader, für die Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem von den Abgasen beaufschlagten umlaufenden den Abgasen Energie entziehenden Maschinenteil, vorzugsweise einem Turbinenrad sowie einer das Maschinenteil mit dem Pumpenrotor verbindenden zelle.
Es ist bekannt, die Leistung von Brennkraftmaschinen dadurch zu erhöhen, daß die Verbrennungsluft vorverdichtet wird. Für den Antrieb der Verdichtungs- oder Ladepumpe wird vielfach die Energie des Abgases ausgenutzt. Nachteilig an derartigen Ladepumpen ist, daß sie im instationären Betrieb relativ träge reagieren. Hierfür ist im wesentlichen das hohe Schhungmoment des Turbinen- und/oder des Pumpenrotors ursächlich. Aus diesem Grunde scheiterte es in der Praxis, Abgasturbolader bei Motoren mit stark instationärem Betrieb, vor allem also bei PKW-Notoren einzufiihren.
Da der Pumpenrotor lediglich mit Frischluft in Berührung gelangt, ist es wegen der relativ geringen Temperaturen der vorverdichteten Ladeluft zulässig, für den Pumpenrotor hochfeste Aluminiumlegierungen zu verwenden, um aufgrund des geringen spezifischen Gewichtes dieses Baustoffes das Schwungmoment wenigstens des Pumpenrotors zu reduzieren. Die auftretenden Temperaturen im Pumpenteil liegen genügend unterhalb der höchstzulässigen Temperaturen für Aluminiumlegierungen.
Anders ist es hingegen im Antriebsteil der Ladepumpe, der von den heißen Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist. Die aus dem Brennraum von aufgeladenen Motoren austretenden Abgase sind ohnehin heißer als die von nichtaufgeladenen rotoren, da die Verbrennung aufgeladener Motoren bei höheren Temperaturen stattfindet und weil die Abgase aufgeladener Motoren im Arbeitsraum nicht völlig entspannt werden. Für den Antriebsteil von abgasgetrie benen Ladepumpen werden daher hochwarmfeste Nickel-Legierungen verwendet, die bekanntermaßen ein hohes spezifisches Gewicht besitzen. Das Schwungmoment dieser Maschinenteile ist daher sehr hoch. Darüber hinaus sind die Legierungsbestandteile dieser Werkstoffe, vor allem Nickel, Chrom und Kobalt, nur noch in begrenztem Umfang als Rohstoff vorrätig, so daß diese Legierungsbestandteile und somit auch die warmfesten Stähle selber zunehmend teurer und rarer werden, zumal, wenn sie massenweise eingesetzt werden würden, wie z. B. fiir Ladepumpen für PSh'-Motoren. Ublicherweise ist die das Turbinenrad mit dem Pumpenrad verbindende Welle einstückig mit dem Turbinenrad ausgebildet, also auch aus einem teuren Werkstoff hergestellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Ladepumpen für den instationären Betrieb und für den hlasseneinsatz für PKS-Motoren besser geeignet werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Naschinenteil der einganges genannten Ladepumpe aus einem anderen Werkstoff wie die Welle gefertigt ist und zwar entweder aus Liliziumnitrid oder aus Siliziumkarbid besteht.
Die Rohstoffe für diese Materialien sind Sand, Kohle und Luftstickstoff, welche alle in ausreichender Fülle zur Verfügung stehen. Das spezifische Gewicht von Siliziumnitrid bzw. -karbid liegt je nach llerstellungsweise zwischen 2,7 und 3,2 g/cm³. Diese Werkstoffe sind heute in hochwarmfesten Qualitäten herstellbar. Ein Turbinenrad dieser Werkstoffe würde etwa nur rund ein Drittel eines formgleichen Nickel-Stahl-Turbinenrades wiegen und das Schwungmoment würde ebenfalls nur ein Drittel betragen. Die Trägheit eines entsprechenden Abgasturboladers würde wesentlich geringer sein.
Einen gewissen Beitrag zum Schwungmoment des rotierenden Teiles einer abgasgetriebenen Ladeluftpumpe stellt die den Antriebsteil, z. B. die Turbine, mit dem Pumpenläufer verbindende Welle dar. Um auch deren Gewicht zu reduzieren, kann vorgesehen sein, daß sie aus einer Titanlegierung hergestellt ist. Hierbei ist vor allem an die Legierungen TlAl 6V4, TiAl 7Mo4 und TiAl 6V6Sn2 gedacht, die in der Luft- und Raumfahrt häufig verwendet werden und handelaüblich sind; daneben gibt es noch eine Reihe anderer geeigneter Titanlegierungen. Die Titanlegierungen haben ein spezifisches Gewicht von 4,7 g/cm3, jedoch eine mit Stahl vergleichbare oder sogar höhere Festigkeit. Das Schwungmoment der Welle läßt sich daher durch den Werkstoffaustausch und eventuell auch durch Querschnittsverringerungen, d. h. durch Leichtbaumaßnahmen gegenüber einer Stahlwelle reduzieren.
Die Erfindung ist noch anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles im folgenden erläutert; dabei zeigt die Figur einen Längsschnitt durch einen Abgaaturbolader.
Der dargestellte Abgasturbolader weist einen Antriebs-oder Turbinenteil 1 und einen Verdichter- oder Pumpenteil 2 auf. Der Turbinenteil besteht aus einem tangential von den heißen Abgasen durchströmten Spiralgehäuse 3 aus hochwarmfesten Werkstoff. In dem Spiralgehäuse ist drehbar das halbaxial zentripetal durchströmte Turbinenrad 4 gelagert. Das Turbinenrad ist auf der als separotes Teil ausgebildeten, im Gehäuse 5 des Abgasturboladers gelagerten (Lager 7) Welle 6 verdrehfest befestigt.
In dem Turbinenteil entspannen sich die Abgase der nicht dargestellten Brennkraftmaschine und geben ihre restliche Energie an das Turbinenrad ab, die sie in mechanische Rotationsenergie umwandelt und an die Welle 6 weiterleitet.
Das ganz ähnlich aufgebaute Pumpenteil 2 weist ein Gehäuse 8 auf, welches sowohl die Zuströmseite zum Pumpenrad 9 als auch den Radialdiffusor und das Spiralgehäuse der Ladepumpe bildet. Das Pumpenrad ist ebenfalls gegenüber der Welle 6, auf der es verdrehfest angeordnet ist, und durch die es angetrieben und gelagert wird, als separates Teil ausgebildet. Die in das Spiralgehäuse vom Pumpenrad verdichtete Verbrennungsluft wird über eine Leitung der Zuluftseite der Brennkraftmaschine zugeleitet.
Zur Reduzierung des Schwungmomentes des Abgasturboladers ist das Gewicht des rotierenden Teiles, nämlich der Räder 4 und 9 sowie die Welle 6 möglichst gering gehalten, damit die Drehzahl des Abgasturboladers Last- und Drehzahlschwankungen der zugehörigen Brennkraftmaschine möglichst rasch folgen kann. Das von relativ kühler Luft umströmte Pumpenrad 9 ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Das von den sehr heißen Abgasen beaufschlagte Turbinenrad 4 ist erfindungsgemäß aus Siliziumnitrid oder aus Siliziumkarbid hergestellt, welche Materialien genügend warmfest und von ausreichender Festigkeit für die extrem hohen Drehzahlen und Fliehkräfte sind. Ferner sind die hierfür erforderlichen Rohstoffe auch bei gesteigertem Bedarf in Fülle vorhanden.
Die separate Welle 6 kann wegen ihres geringen Gewichtes und wegen ihres geringen Durchmessers im kiinblick auf ein möglichst geringes Schwungmoment auch aus Stahl gefertigt werden. Zum einen braucht die Welle nämlich nicht aus einem hochwarmfesten Werkstoff gefertigt zu sein, so daß auch gute Kohlenstoffstähle eingesetzt werden können; Versorgungsschwierigkeiten hinsichtlich der Legierungskomponenten Chrom, Nickel und Kobalt könnten durch diesen billigeren Stahl umgangen werden. Zum anderen ist - wie gesagt - der Anteil der Welle am Schwungmoment relativ klein und ein hohes spezifisches Gewicht der Welle könnte noch in Kauf genommen werden.
Die Welle kann aber auch aus einer Titanlegierung hergestellt werden. Die Festigkeit derartiger Legierungen ist gleich oder der von Stahl/überlegen, so daß die Welle kleiner und - im Zusammenwirken mit dem geringeren spezifischen Gewicht von Titanlegierungen - wesentlich leichter als eine Stahlwelle gebaut werden könnte.

Claims

Ansprüche

1. Durch die Energie der Abgase einer Brennkraftmaschine angetriebene Ladepumpe, insbesondere Abgasturbolader, für die Brennkraftmaschine t mit wenigstens einem von den Abgasen beaufschlagten umlaufenden den Abgasen Energie entziehenden Maschinenteil, vorzugsweise einem Turbinenrad sowie einer das Maschinenteil mit dem Pumpenrotor verbindenden Welle, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Maschinenteil (4) aus einem anderen werkstoff wie die Welle (6) gefertigt ist und zwar entweder aus Siliziumnitrid oder aus Siliziumkarbid besteht.

2. Ladepumpe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Welle (6) aus einer Titanlegierung besteht.

3. Ladepumpe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Welle (6) aus einem allenfalls niedrigyegierten Kohlenstoffstahl besteht.

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