DE3843663A1 - HEAT INSULATION FOR HOT GAS LEADING CASTING COMPONENTS - Google Patents
HEAT INSULATION FOR HOT GAS LEADING CASTING COMPONENTSInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmedämmung für heiße Gase führende doppelwandige Bauteile, insbesondere von Brennkraftmaschinen oder thermischen Turbomaschinen, mit einer Innenwand aus einem hochwarmfesten Metall sowie einer darauf angeordneten Schicht aus einem Wärmedämmaterial, auf die ein die Außenwand bildendes Gußbauteil gegossen ist.The invention relates to thermal insulation for hot gases leading double-walled components, in particular from Internal combustion engines or thermal turbo machines, with an inner wall made of a heat-resistant metal as well a layer of a layer arranged thereon Thermal insulation material on which an outer wall is formed Cast component is poured.
Derartige Bauteile mit einer Wärmedämmung sind bereits bekannt. So werden zum Beispiel Auspuffkrümmer von Kraftwagenmotoren in der angegebenen Weise doppelwandig mit einer Wärmedämmschicht zwischen den Wänden ausgebildet, um zu verhindern, daß die Auspuffgase unter die für eine katalytische Nachverbrennung erforderliche Temperatur abkühlen. Es ist auch bekannt, daß für die Gehäuse der durch heiße Auspuffgase angetriebenen Turbinen von Turboladern wärmeisolierte Bauteile der eingangs erwähnten Art verwendet werden, um durch Einschränkung der Wärmeverluste einen möglichst hohen Wirkungsgrad für den Antrieb des Ladeverdichters zu erzielen. Insbesondere bei Verwendung von keramischen Hochtemperaturfasern kann die Schicht aus einem Dämmaterial als beliebig geformter Dämmkorpus mit beliebigem Querschnitt ausgebildet werden. Bauteile mit einem derartigen Dämmkorpus zwischen der Außen- und der Innenwand führen zu einer höheren Reduktion des Kühlaufwandes bei Brennkraftmaschinen, zu einer geringeren Wärmekapazität, zu einem geringeren Wärmedurchgang, zu einer höheren thermischen Stabilität, zu einer besseren Geräuschreduktion, zu einer höheren Abgasschadstoffsenkung, zu einer höheren Wirksamkeit bei Turbo-Kompreßaufladung, zu einem höheren Temperaturniveau für Abgasreinigungssysteme, zu einem einfacheren Handling beim Eingießen, zu einem problemloseren Eingießen auch in Gußeisen und schließlich auch zu einer höheren mechanischen Festigkeit bzw. Haltbarkeit. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß teure austenitische Gußlegierungen für die Außenwand durch Grauguß oder gewichtssparendes Aluminium ersetzt werden können. Durch die Dämmwirkung kommt es auch zu einer geringeren Temperaturbelastung von Lagerungen, die in der Nähe solcher heiße Gase führenden Bauteile angeordnet sind.Such components with thermal insulation are already known. For example, exhaust manifolds from Motor vehicle engines double-walled in the manner specified with a layer of thermal insulation between the walls trained to prevent the exhaust gases under the one required for catalytic afterburning Cool down temperature. It is also known that for the Housing of those driven by hot exhaust gases Turbines of turbochargers heat insulated components of the used to pass through Restriction of heat losses as high as possible Efficiency for driving the charge compressor achieve. Especially when using ceramic The layer can be made from a high temperature fiber Insulation material as an insulation body with any shape any cross-section are formed. Components with such an insulation body between the outer and the Inner wall lead to a higher reduction of the Cooling effort in internal combustion engines, to one lower heat capacity, to a lower Heat transfer, to a higher thermal stability, to better noise reduction, to a higher one Exhaust emissions reduction, to a higher effectiveness Turbo supercharging, to a higher one Temperature level for emission control systems, at one easier handling when pouring, into one easy pouring into cast iron and eventually to a higher mechanical Firmness or durability. Another advantage is that expensive austenitic cast alloys for the outer wall by gray cast iron or weight-saving Aluminum can be replaced. Due to the insulation effect there is also a lower temperature load from bearings that are near such hot gases leading components are arranged.
Die Wärmebeanspruchung der Innenwand derartiger Guß-Verbundbauteile ist sehr hoch. Es können Innentemperaturen zwischen 850° und 1100°C auftreten. Durch die Wärmedämmung wird erreicht, daß die Außentemperaturen im Bereich von nur 300° bis 550°C liegen. Unter der hohen Wärmebeanspruchung lassen sich bei den bekannten Guß-Verbundbauteilen die erforderliche Formbeständigkeit der Innenwand während des Betriebes und der ursprüngliche Wärmedämmwert über einen längeren Nutzungszeitraum nicht aufrechterhalten. Insbesondere bei Turbinengehäusen ist eine hohe Formbeständigkeit erforderlich, da der Abstand zwischen dem Turbinenrotor und der Innenwand sehr gering sein muß, wenn ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden soll.The thermal stress on the inner wall of such Cast composite parts is very high. It can Internal temperatures between 850 ° and 1100 ° C occur. The thermal insulation ensures that the Outside temperatures in the range of only 300 ° to 550 ° C lie. Under the high heat stress can be the required in the known cast composite components Dimensional stability of the inner wall during operation and the original thermal insulation value over a longer period Period of use not maintained. In particular with turbine housings there is a high dimensional stability required because of the distance between the turbine rotor and the inner wall must be very small if high Efficiency should be achieved.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem der Wärmedämmwert und die Formbeständigkeit über einen langen Betriebszeitraum aufrechterhalten werden können.It is the object of the invention, a component of the to propose the type mentioned at the beginning, in which the Thermal insulation value and dimensional stability all in one long operating period can be maintained.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Innenwand entlang ihrem Rand über die Wärmedämmschicht hinaus vorsteht und dieser Rand wenigstens zu einem Teil seiner vorstehenden Länge in das Gußbauteil eingebettet ist.According to the invention, this object is achieved in that the inner wall along its edge over the Thermal insulation layer protrudes and this edge at least part of its protruding length in the cast component is embedded.
Durch diese erfinderische Maßnahme wird erreicht, daß heiße Gase nicht in den von der Wärmedämmschicht ausgefüllten Raum zwischen Innen- und Außenwand eindringen können. Bei den herkömmlichen Gußverbundteilen kam es z.B. durch Absetzen von Ruß zwischen der Innen- und Außenwand zu einer allmählichen Verringerung der Dämmwirkung der Wärmedämmschicht und durch die Hinterspülung mit heißen Gasen zu einer Ausdehnung der Innenwand über die unter Betriebsbedingungen zulässigen Ausdehnungswerte hinaus.This inventive measure ensures that hot gases are not in the thermal insulation layer filled space between the inner and outer wall can penetrate. With the conventional Cast composite parts, e.g. by settling soot between the inner and outer wall to a gradual Reduction of the insulation effect of the thermal insulation layer and by backwashing with hot gases to one Expansion of the inner wall over the bottom Expansion values.
Außerdem führt die erfinderische Maßnahme auch zu einer weiteren Erhöhung der Temperaturfestigkeit sowie zu einer verbesserten Heißgaskorrosionsbeständigkeit.The inventive measure also leads to a further increase in temperature resistance as well improved hot gas corrosion resistance.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung greift der überstehende Rand der Innenwand krallenartig in das Gußmaterial ein, wodurch eine besonders dauerhafte Fixierung der Innenwand gewährleistet ist.In an advantageous embodiment of the invention, the protruding edge of the inner wall like a claw in the Casting material, which makes it particularly durable Fixation of the inner wall is guaranteed.
Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further design options of the invention go from the subclaims.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:The invention will now be described on the basis of exemplary embodiments and the accompanying drawings further explained and to be discribed. Show it:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes heiße Gase führendes Bauteil, das als Gehäuse für den Antriebsrotor eines Turboladers dient (teilweise in Schnittdarstellung), Fig. 1 shows an embodiment of an inventive hot gases carrying component that serves as a housing for the drive rotor of a turbocharger (partially in section),
Fig. 2 das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 in seitlicher Darstellung (im Schnitt), Fig. 2 shows the embodiment of Fig. 1 in side view (in section),
Fig. 3 den erfindungsgemäß gestalteten Randbereich der Innenwand bzw. Wärmedämmschicht an der Treibgaseinlaßöffnung des in der Fig. 1 dargestellten Gehäuses, Fig. 3 shows the invention, designed according to the edge region of the inner wall or thermal insulation layer at the propellant inlet opening of the housing illustrated in FIG. 1,
Fig. 4 einen weiteren erfindungsgemäßen Randbereich der Innenwand bzw. Wärmedämmschicht des in der Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Gehäuses, Fig. 4 shows a further edge area according to the invention the inner wall or thermal insulation layer of the housing illustrated in FIG. 1 or FIG. 2,
Fig. 5 einen dritten Randbereich der Innenwand bzw. Wärmedämmschicht an der Treibgasauslaßöffnung des in der Fig. 1 dargestellten Gehäuses, und die Fig. 5 shows a third edge region of the inner wall or thermal barrier coating at the propellant gas outlet opening of the housing shown in Fig. 1, and the
Fig. 6 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Gestaltung des Randbereichs der Innenwand eines Guß-Verbundbauteils. Fig. 6 to 8 further embodiments for the inventive design of the edge region of the inner wall of a cast composite component.
In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 eine gegossene Außenwand eines Turbinengehäuses bezeichnet, wobei das Turbinengehäuse eine Einlaßöffnung 6 aufweist, durch die heiße Gase eintreten, die den im Innern des Gehäuses um die Achse 7 drehbar gelagerten (nicht dargestellten) Turbinenrotor antreiben. Mit dem Bezugszeichen 2 ist eine Innenwand aus einem hochwarmfesten Metall, z.B. einer Hochtemperatur-Nickel-Legierung oder einem hochwarmfesten Edelstahl, bezeichnet, wobei die Innenwand vorzugsweise aus Blech durch Tiefziehen hergestellt ist. Zwischen der gegossenen Außenwand 1 und der Innenwand 2 ist eine Wärmedämmschicht angeordnet, die z.B. keramische Hochtemperaturfasern des Systems Al2O3/SiO2 oder eine Mischung von mikroporösem Siliziumdioxid, keramischen Fasern und einem Trübmittel aufweisen kann. Mit 4 ist ein Rand der Innenwand 2 an der Einlaßöffnung 6 für das die Turbine antreibende Gas, mit 4 a ein Rand der Innenwand 2 im Innern des Turbinengehäuses und mit 4 b ist ein Rand an der Austrittsstelle 8 für das Antriebsgas bezeichnet.In Figs. 1 and 2, with 1 a cast outer wall refers to a turbine housing, said turbine housing having an inlet port 6, enter through the hot gases, which drive the rotatably mounted in the interior of the housing about the axis 7 turbine rotor (not shown). Reference number 2 denotes an inner wall made of a high-temperature metal, for example a high-temperature nickel alloy or a high-temperature stainless steel, the inner wall preferably being made of sheet metal by deep drawing. A heat insulation layer is arranged between the cast outer wall 1 and the inner wall 2 , which may have, for example, ceramic high-temperature fibers of the Al 2 O 3 / SiO 2 system or a mixture of microporous silicon dioxide, ceramic fibers and an opacifier. 4 with an edge of the inner wall 2 at the inlet opening 6 for the gas driving the turbine, with 4 a an edge of the inner wall 2 inside the turbine housing and with 4 b an edge at the exit point 8 for the drive gas is designated.
Der in Fig. 1 mit 4 bezeichnete Rand in seitlicher Schnittdarstellung ist in der Fig. 3 vergrößert wiedergegeben. Mit 5 ist eine Kante bezeichnet, die durch Abwinklung der Innenwand 2 gebildet ist. Die abgewinkelte Innenwand bedeckt im vorliegenden Fall die seitliche Randfläche 9 der Wärmedämmschicht 3. Die abgewinkelte Innenwand 2 weist einen unteren Teil 10 auf, der in das Gußteil 1 eingebettet ist.The edge denoted by 4 in FIG. 1 in a lateral sectional illustration is shown enlarged in FIG. 3. 5 denotes an edge which is formed by angling the inner wall 2 . In the present case, the angled inner wall covers the lateral edge surface 9 of the thermal insulation layer 3 . The angled inner wall 2 has a lower part 10 which is embedded in the casting 1 .
Durch die Einbettung des Endteils 10 der Innenwand 2 in das Gußmaterial ist ein gasdichter Abschluß der Wärmedämmschicht 3 gegen die durch das Gehäuse strömenden heißen Gase gewährleistet und es kann nicht dazu kommen, daß die Wärmedämmwirkung der Dämmschicht 3, z.B. durch Rußablagerung, mit dar Zeit vermindert wird oder daß durch Hinterspülung mit heißen Gasen eine übermäßige Ausdehnung der Innenwand 2 auftreten kann, die im ungünstigen Fall zu einer Verklemmung und Zerstörung der Turbine führt.By embedding the end part 10 of the inner wall 2 in the casting material, a gas-tight seal of the heat insulation layer 3 is guaranteed against the hot gases flowing through the housing and it cannot happen that the heat insulation effect of the insulation layer 3 , for example due to soot deposition, diminishes over time or that backwashing with hot gases can result in excessive expansion of the inner wall 2 , which in the worst case leads to jamming and destruction of the turbine.
In Fig. 4, in der der Rand 4 b an der Austrittsstelle 8 des Turbinengehäuses vergrößert dargestellt ist, ist mit 5′ eine Kante bezeichnet, die durch Abwinklung des über die Wärmedämmschicht 3 vorstehenden Randes der Innenwand 2 gebildet ist. Die schräge Abwinklung ist beabstandet zum Rand der Wärmedämmschicht 3 vorgesehen. Das abgewinkelte Ende des über die Wärmedämmschicht 3 vorstehenden Randes der Innenwand 2 ist in das Gußteil 1 eingebettet, wodurch ein gasdichter Abschluß der Wärmedämmschicht 3 erreicht wird.In Fig. 4, in which the edge 4 b is shown enlarged at the exit point 8 of the turbine housing, 5 ' denotes an edge which is formed by angling the edge of the inner wall 2 projecting over the thermal insulation layer 3 . The oblique bend is provided at a distance from the edge of the thermal insulation layer 3 . The angled end of the edge of the inner wall 2 protruding beyond the thermal insulation layer 3 is embedded in the casting 1 , whereby a gas-tight seal of the thermal insulation layer 3 is achieved.
In Fig. 5 ist der in Fig. 2 mit 4 a bezeichnete Rand vergrößert dargestellt. Mit 5′′ ist in Fig. 5 eine Kante bezeichnet, die durch Abwinklung des über die Wärmedämmschicht 3 vorstehenden Randes der Innenwand 2 gebildet ist. Das im Abstand zum Rand der Wärmedämmfläche 3 senkrecht abgewinkelte Endteil 10′′ ist in das Gußteil 1 eingebettet, so daß ein gasdichter Abschluß der Wärmedämmschicht 3 auch an dem Rand 4 a erzielt wird.In Fig. 5 the edge designated in Fig. 2 with 4 a is shown enlarged. With 5 '' in Fig. 5, an edge is referred to, which is formed by angling the projecting over the thermal barrier layer 3 edge of the inner wall 2 . The at a distance from the edge of the thermal insulation surface 3 vertically angled end part 10 '' is embedded in the casting 1 , so that a gas-tight seal of the thermal insulation layer 3 is also achieved at the edge 4 a .
Weitere Beispiele für einen gasdichten Abschluß der Wärmedämmschicht gemäß der Erfindung sind in den Fig. 6 bis 8 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 ist das Endteil 10′′′ des über die Wärmedämmschicht 3′ vorstehenden Randes der Innenwand 2′′ in das Gußteil 1′ eingebettet. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 greift der über die Wärmedämmung 3′′ vorstehende Rand der Innenwand 2′′ krallenartig mit seinem Endteil 10′′′′ in das Gußteil 1′′ ein. Durch diesen krallenartigen Eingriff ist eine besonders sichere Fixierung der Innenwand 2′′ gewährleistet. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 ist der über die Wärmedämmschicht 3′′′ vorstehende Rand der Innenwand 2′′′ rechtwinklig nach oben abgewinkelt, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur das nach oben abgewinkelte Endteil 10′′′′′ in das Gußteil 1′′′ sondern der gesamte über die Wärmedämmschicht 3′′′ überstehende Rand der Innenwand 2′′′ in das Gußmaterial eingebettet ist.Further examples of a gas-tight closure of the thermal barrier coating according to the invention are shown in FIGS. 6 to 8. In the embodiment of Fig. 6, the end part 10 '''of the thermal insulation layer 3 ' projecting edge of the inner wall 2 '' is embedded in the casting 1 '. In the embodiment of Fig. 7 engages over the thermal insulation 3 '' protruding edge of the inner wall 2 '' claw-like with its end part 10 '''' in the casting 1 ''. This claw-like engagement ensures a particularly secure fixation of the inner wall 2 ''. In the embodiment of FIG. 8, the edge of the inner wall 2 '''protruding beyond the thermal barrier layer 3 ''' is angled upwards at right angles, in this embodiment not only the end part 10 '''''angled upwards into the casting 1 '''But the entire over the thermal barrier layer 3 ''' projecting edge of the inner wall 2 '''is embedded in the casting material.
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