DE69927233T2

DE69927233T2 - Abgaskrümmer mit integral angegossenem Turbinengehäuse für einen Turbolader

Info

Publication number: DE69927233T2
Application number: DE69927233T
Authority: DE
Inventors: Kenji Moka-shi Itoh
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2019-12-29
Also published as: JP2000199427A; US6256990B1; EP1016778A3; EP1016778B1; DE69927233D1; EP1016778A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer mit einem integral angegossenen Turbinengehäuse für einen Turbolader.
STAND DER TECHNIK
Die Motoren für Autos werden immer mehr mit Turboladern zur Erhöhung der Leistung ausgerüstet. Durch die Turbolader sind keine größeren Motoren erforderlich, wodurch die Autos kleiner bleiben können. Außerdem ist die Abgasmenge pro Leistungseinheit geringer. Da die Turbolader für ein hohes Luft/Kraftstoffverhältnis sorgen, wird angenommen, daß im Abgas auch weniger die Luft verschmutzendes Material wie NOx und Feinstaub enthalten ist.
Um die globale Erwärmung zu verringern und den Verbrauch von fossilen Brennstoffen zu senken, gibt es immer mehr Druck, die Kraftstoffausnutzung von Autos zu verbessern. Turbolader sorgen für eine große Leistung bei geringem Kraftstoffverbrauch, da keine Energie für die mit größer werdendem Hubraum steigende Reibung in den Motoren verschwendet wird. Die Ausnutzung des Kraftstoffs wird dadurch verbessert.
Im allgemeinen nutzt der in Kraftfahrzeuge etc. eingebaute Turbolader die Energie des heißen, unter hohem Druck stehenden Abgases, das durch einen mit den Auslässen eines Motors verbundenen Krümmer zugeführt wird, um einen Rotor mit hoher Geschwindigkeit zu drehen. Dadurch wird ein Kompressor in Drehung versetzt, der konzentrisch zum Rotor angebracht ist und der den Druck des dem Motor zugeführten Gases erhöht. Der Rotor ist drehbar in der Turbinenkammer des Turbinengehäuses angeordnet, das einen Abgasströmungsweg zum Einführen des Abgases in die Rotorkammer aufweist.
Um sowohl den Abgaskrümmer als auch einen Turbolader in dem begrenzten Platz des Motorraums in einem Kraftfahrzeug unterzubringen, ist es wichtig, die optimale Form und Größe für diese Teile zu bestimmen. Insbesondere wenn ein Abgaskrümmer mit einem integrierten Turbinengehäuse in einem vorhandenen Kraftfahrzeug mit einem bestimmten Aufbau untergebracht werden soll, kann das Turbinengehäuse nicht einfach ohne Modifikationen der Konstruktion an den Abgaskrümmer angesetzt werden. Auch die Form und Größe des Abgaskrümmers ist so zu optimieren, daß er zu dem Turbinengehäuse paßt, das mit dem Abgaskrümmer verbunden werden soll.
In dieser Hinsicht sind Auspuffteile vielversprechend, die dadurch erhalten werden, daß an einen Abgaskrümmer ein Turbinengehäuse integral angegossen wird. Die entsprechende Entwicklung wurde schnell vorangetrieben. Ein integral an den Abgaskrümmer angegossenes Turbinengehäuse ergibt Auspuffteile ohne Verbindungen, wodurch die Anzahl der Teile sinkt, so daß der Zusammenbau vereinfacht wird und die Abgaskrümmer kompakt werden. Da kein Platz zum Zusammenfügen der Teile erforderlich ist, besteht eine hohe Freiheit für die Konstruktion der Krümmer, so daß Abgaskrümmer aufgebaut werden können, die die beste Konstruktion aufweisen. Hinsichtlich hitzefesten Abgaskrümmern mit integrierten Turbinengehäusen beschreibt zum Beispiel "Sokeizai", veröffentlicht von der Sokeizai Center Foundation am 20. Januar 1998, Seite 2, daß zehn Teile überflüssig werden, die Verbindungen an vier Punkten nicht mehr nötig sind, und daß es die Integration der Teile möglich macht, die Größe des Produkts zu verringern.
Wenn in einen Abgaskrümmer, der heißen Abgasen ausgesetzt ist, ein Turbinengehäuse integriert wird, das starke Vibrationen hervorruft, unterliegt der Abgaskrümmer mit dem integrierten Turbinengehäuse Belastungen sowohl aufgrund von thermischen Spannungen als auch aufgrund von Vibrationen und neigen daher zu Verformungen und zu Rissen, wenn sie auf die herkömmliche Weise aufgebaut werden. Es ist entsprechend schwierig, einen Abgaskrümmer mit einem integrierten Turbinengehäuse für einen Turbolader zu konstruieren, der bei der praktischen Anwendung keine Probleme verursacht. Der genannte Artikel in "Sokeizai" über hitzefeste Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse sagt nichts über die Verhinderung von Verformungen und Rissen bei thermischen Spannungen und Vibrationen aus.
Die GB-A-2038940 beschreibt im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ein Abgas-Bypassventil in einem Abgaskrümmer. Mittels Dichtungen, Schrauben und Flanschen ist ein konvergierender Abschnitt der Leitungen mit dem Turbinengehäuse verbunden.
Die WO-A-97/13965 beschreibt eine Anordnung mit einem integral an den Abgaskrümmer angegossenen Turbinengehäuse.
Die US-A-4 464 897 und die JP-A-9-88577 beschreiben weiteren Stand der Technik, der weiter von der vorliegenden Erfindung entfernt ist.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kleinen, langlebigen Abgaskrümmer zu schaffen, an den integral das Turbinengehäuse für einen Turbolader angegossen ist und der eine Form hat, die gegenüber den thermischen Belastungen durch das Abgas und die Vibrationen des Turbinengehäuses eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist.
Der Erfinder hat bei den Untersuchungen zu dieser Aufgabe festgestellt, daß durch Optimieren der Form des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse im konvergierenden Abschnitt, insbesondere durch Optimieren des Verhältnisses des Krümmungsradiusses im Halsabschnitt, über den der konvergierende Abschnitt mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, zum Abstand des Abgasströmungsweges in tangentialer Richtung von der Mitte des Turbinengehäuses im konvergierenden Abschnitt der Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse eine ausgezeichnete Festigkeit gegenüber mechanische Belastungen aufgrund von Vibrationen des Turbinengehäuses aufweist, wodurch das Entstehen von Rissen in und in der Nähe des Halsabschnitts verhindert wird. Die vorliegende Erfindung, wie sie im anliegenden Patentanspruch 1 definiert ist, beruht auf dieser Feststellung. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
Der Krümmungsradiusverhältnis im Halsabschnitt beträgt vorzugsweise 0,23 oder mehr, wie es im Patentanspruch 2 angegeben ist.
Die Ausführungsform nach Patentanspruch 3 umfaßt Rippen, die die mechanische Festigkeit der Leitungsabschnitte und des konvergierenden Abschnitts erhöhen und dadurch zusätzlich Risse durch thermische Spannungen und Vibrationen verhindern.
Mit dem im Patentanspruch 4 beschriebenen Aufbau wird der Abgaskrümmer vor Rissen im konvergierenden Abschnitt bewahrt, auch wenn der konvergierende Abschnitt Spannungen durch thermische Expansion und Zusammenziehen des Abgaskrümmers in tangentialer Richtung unterliegt.
Bei dem im Patentanspruch 5 beschriebenen Aufbau kommt die Unterseite des konvergierenden Abschnitts nicht mit dem Motorblock in Kontakt oder in dessen Nähe, wodurch die Temperatur des konvergierenden Abschnitts im unteren Teil nicht extrem geringer ist als im oberen Teil. Es werden daher keine thermischen Spannungen im konvergierenden Abschnitt hervorgerufen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Patentanspruch 6 dient die bevorzugte Breite des Schlitzes dazu, ein thermisches Schrumpfen in der tangentialen Richtung der Leitungsabschnitte zu absorbieren, wodurch verhindert wird, daß auf die Schrauben, die den Abgaskrümmer am Motorblock halten, keine übermäßigen Kräfte einwirken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vorderansicht eines Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Rückansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse der 1;
3 eine Ansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse der 1 von unten;
4 eine Aufsicht auf den Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse der 1;
5 ist eine Schnittansicht längs der Linie V-V in der 1;
6 eine Schnittansicht in Querrichtung von Leitungsabschnitten des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse der 1;
7 eine Ansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse der 1 von rechts;
8 eine Ansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse der 1 von links;
9 ist eine Teil-Schnittansicht längs der Linie IX–IX in der 1;
10 eine Schnittansicht längs der Linie X–X in der 7;
11 zeigt graphisch die Beziehung zwischen dem Verhältnis (r/L) des Krümmungsradiusses (r) im Halsabschnitt zum tangentialen Abstand (L) und dem Ausmaß des Reißens; und
12 eine Vorderansicht eines Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse der 1 mit einem am Turbinengehäuse befestigten Abgasrohr.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integral angegossenem Turbinengehäuse wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Die 1 ist eine Vorderansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die 2 eine Rückansicht davon, die 3 eine Ansicht von unten, die 5 ist eine Schnittansicht der 1, die 6 eine Schnittansicht in Querrichtung von Leitungsabschnitten des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse, die 7 eine Ansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse von rechts, und die 8 eine Ansicht des Abgaskrümmers mit integriertem Turbinengehäuse von links. Die Darstellungen zeigen einen Abgaskrümmer 1 mit einstückig angegossenem Turbinengehäuse für einen Vierzylinder-Reihenmotor, auch wenn die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Obwohl die gekrümmten Leitungsabschnitte einstückig mit dem Gesamtaufbau verbunden sind, sind sie mit den Bezugszeichen 21, 22 bezeichnet, da sie von zwei Teilen gebildet werden, die zusammenlaufen.
[1] Abgas-Zuführöffnung
Wie in der 6 gezeigt, sind die Anschlüsse 11 bis 14 der Leitungsabschnitte 21, 22 im wesentlichen linear ausgerichtet, und an jedem Anschluß 11 bis 14 befindet sich ein Flansch 11a–14a mit jeweils zwei durchgehenden Löchern 1 1b–14b, in die Schrauben eingesetzt werden, um den Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse an einem Motorblock zu befestigen. Die beiden durchgehenden Löcher 11b, 14b an den beiden Enden sind mit Einkerbungen versehen, durch die sie offen werden. Die durchgehenden Löcher 13b, 13b sollten vertikal zugänglich sein, nachdem ein Abgasrohr 100 wie in der 12 gestrichelt gezeigt am Turbinengehäuse 40 angebracht wurde, so daß die Schrauben an den durchgehenden Löchern 13b, 13b mittels eines Automaten am Motorblock angeschraubt werden können.
Zwischen den benachbarten Flanschen 11a und 12a und den benachbarten Flanschen 13a und 14a gibt es Brückeabschnitte 15a, 15b. Der Abstand A zwischen den benachbarten Flanschen 11a und 12a und der Abstand A zwischen den benachbarten Flanschen 13a und 14a beträgt vorzugsweise das 0,05-fache oder mehr des Abstands W zwischen den Mittelpunkten der äußeren Anschlüsse 11 und 14.
Zwischen den Flanschen 12a und 13a ist ein Brückenabschnitt 15c mit einem Mittenschlitz 16 vorgesehen, der sich im wesentlichen senkrecht zur Mittellinie der Leitungsabschnitte 21, 22 erstreckt. Der Schlitz 16 absorbiert die Verschiebung oder Verformung der Leitungsabschnitte 21, 22 aufgrund ihrer thermischen Ausdehnung und ihres thermischen Schrumpfens. Der Schlitz 16 hat vorzugsweise eine Breite, die gleich oder kleiner ist wie das Schrumpfen der Leitungsabschnitte, insbesondere 3 mm oder kleiner. Mit einer solchen Breite des Schlitzes kommen die Innenseiten des Schlitzes 16 miteinander in Kontakt, wenn das Schrumpfen der Leitungsabschnitte 21, 22 ein bestimmtes Ausmaß erreicht hat, so daß ein weiteres Schrumpfen im Brückenabschnitt 15c eine Spannung erzeugt. Im Ergebnis wirken auf die Schrauben, die den Abgaskrümmer 1 mit dem Motorblock verbinden, keine übermäßigen Kräfte ein.
[2] Leitungsabschnitte
Wie in den 1 und 6 gezeigt, erstreckt sich der integral mit dem Leitungsabschnitt 22 verbundene Leitungsabschnitt 21 vom Anschluß 11 über den Anschluß 12 zum konvergierenden Abschnitt 30, und der Leitungsabschnitt 22 erstreckt sich vom Anschluß 14 über den Anschluß 13 zum konvergierenden Abschnitt 30. Die beiden Leitungsabschnitte 21, 22 sind miteinander im konvergierenden Abschnitt 30 derart verbunden, daß die Abgasströmungswege gleichmäßig zusammenlaufen und von dort zum Turbinengehäuse 40 führen. In der Mitte des Leitungsabschnitts 21 befindet sich ein Anschluß 24, der integral von einem Abgasrückführ-Flansch 24a umgeben ist, um Abgas zu den Zylinderköpfen zurückzuführen. Am Leitungsabschnitt 22 ist in der Nähe des Flansches 13a ein Ansatz 25 zum Befestigen eines Abgasrohrs angeordnet.
Wie in der 5 gezeigt, die eine Schnittansicht der 1 ist, ist der innere Querschnitt des Leitungsabschnitts 21 zwischen den Anschlüssen 11 und 12 im wesentlichen elliptisch, und die Querschnittfläche ist etwas größer als die des Anschlusses 11. Nach dem Passieren des Anschlusses 12 wird der Abgasströmungsweg im Leitungsabschnitt 21 allmählich vollständig kreisförmig. Das gleiche gilt für den Leitungsabschnitt 22. Der innere Querschnitt des Leitungsabschnitts 22 ist zwischen den Anschlüssen 13 und 14 im wesentlichen elliptisch, und der Abgasströmungsweg im Leitungsabschnitt 22 wird nach dem Passieren des Anschlusses 13 allmählich vollständig kreisförmig.
Wie in der 6 gezeigt, sind die beiden Mittellinien L₂₁, L₂₂ der Leitungsabschnitt 21, 22 vorzugsweise glatt verlaufende Kurven mit jeweils einem Krümmungsradius von wenigstens 55 mm, 120% oder mehr des Querschnitts (mm²) des Abgasströmungsweges. Mit den glatt verlaufenden Abgasströmungswegen mit einem Krümmungsradius von 55 mm oder mehr in beiden Leitungsabschnitten 21, 22 kann das Abgas glatt und mit minimalen Energieverlust durchströmen, und es wird eine Konzentration von thermischen Spannungen vermieden.
Jeder Leitungsabschnitt 21, 22 weist im wesentlichen längs der höchsten Konturlinie an seiner Außenseite eine Rippe 21a, 22a auf, und der konvergierende Abschnitt 30 weist längs einer Linie, die die Rippen 21a und 22a verbindet, an seiner Außenseite ebenfalls eine Rippe 31 auf. Die Rippen 21a, 22a und 31 befinden sich somit im größten Abstand von den Flanschen 11a bis 14a. Die Rippe 21a erstreckt sich vom AGR-Flansch 24a über den konvergierenden Abschnitt 30 zum Turbinengehäuse 40. Die Rippe 22a erstreckt sich vom Ende des Leitungsabschnitts 22 über den konvergierenden Abschnitt 30 zum Turbinengehäuse 40 und läuft in der Nähe des Turbinengehäuses 40 mit der Rippe 31 zu sammen. Mit diesen Rippen an den Leitungsabschnitten 21, 22 und dem konvergierenden Abschnitt 30 kann der Abgaskrümmer den Unterschieden bei der thermischen Expansion und dem thermischen Schrumpfen und damit den thermischen Spannungen zwischen seinen oberen und unteren Teilen besser widerstehen.
[3] Konvergierender Abschnitt
Da der konvergierende Abschnitt 30 den Belastungen und Vibrationen von Seiten des Turbinengehäuses 40 und dem Turbolader darin ausgesetzt ist, ist er vorzugsweise 1,2 bis 2,0-mal so dick wie die Leitungsabschnitte 21, 22. Da das Biegemoment aufgrund des Gewichts des Turboladers proportional zum Abstand zwischen den Flanschen 11a bis 14a und der Mittelachse der Rotorwelle (dem Schwerpunkt des Turboladers) ist, weist der konvergierende Abschnitt 30 vorzugsweise eine Dicke auf, die allmählich von einem Abschnitt 30a auf der Seite des Turbinengehäuses 40 zu einem Abschnitt 30b auf der Seite der Abgas-Zuführöffnung zunimmt. Mit zunehmender Dicke des konvergierenden Abschnitts 30 kann der Abgaskrümmer einem zunehmenden Drehmoment widerstehen.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, ist das Turbinengehäuse 40 integral mit dem konvergierenden Abschnitt 30 derart verbunden, daß die Richtung des kreisförmigen Abgasströmungswegs im Turbinengehäuse 40 tangential zu der Mittellinie C des Abgasströmungswegs im konvergierenden Abschnitt 30 verläuft. Es gibt daher einen Bereich R₁, in dem die Außenseite des Turbinengehäuses 40 im wesentlichen in tangentialer Verbindung mit der Außenseite des konvergierenden Abschnitts 30 steht, und einen Bereich R₂, in dem die Außenseite des Turbinengehäuses 40 die Außenseite des konvergierenden Abschnitts 30 unter einem bestimmten Winkel wie etwa 90° schneidet. Im Bereich R₂ ist der Halsabschnitt 32, in dem die Außenseite des Turbinengehäuses 40 direkt mit der Außenseite des konvergierenden Abschnitts 30 verbunden ist, den größten Belastungen aufgrund der Vibrationen des Turboladers unterworfen. Wenn der Halsabschnitt 32 daher relativ zum Abstand des Abgasströmungswegs in tangentialer Richtung zwischen der Mitte des Turbinengehäuses 40 und dem konvergierenden Abschnitt 30 keinen geeigneten Krümmungsradius aufweist, können im Halsabschnitt 32 oder nahe des Halsabschnitts 32 Risse auftreten.
Der Halsabschnitt 32 weist daher einen Krümmungsradius von 6 mm oder mehr, besser noch von 15 mm oder mehr auf. Im allgemeinen ist der Krümmungsradius des Halsabschnitts 32 proportional zur Größe des Turbinengehäuses 40 über dem Halsabschnitt 32. Der Krümmungsradius (r) des Halsabschnitts 32 beträgt hinsichtlich des Verhältnisses des Abstands L in der tangentialer Richtung des Abgasströmungsweges von der Mitte des Turbinengehäuses 40 zum konvergierenden Abschnitt 30 0,13 oder mehr, vorzugsweise 0,23 oder mehr. Wenn der Krümmungsradius (r) des Halsabschnitts 32 bezüglich des Verhältnisses zum tangentialen Abstand L des Abgasströmungsweges von der Mitte des Turbinengehäuses 40 am konvergierenden Abschnitt 30 kleiner ist als 0,13, konzentrieren sich die Belastungen durch die Vibrationen im Halsabschnitt 32, mit der Folge, daß Risse entstehen, die sich bis zum Abgasströmungsweg erstrecken. Um den Krümmungsradius (r) des Halsabschnitts 32 zu erhöhen, wird vorzugsweise der Halsabschnitt 32 dicker gemacht, so daß der Halsabschnitt 32 eine glatte Außenseite hat.
Im unteren Abschnitt des konvergierenden Abschnitts 30, das heißt in dem Abschnitt des Abgaskrümmers, der dem Brückenabschnitt 15 gegenüberliegt, der die Flansche 12a und 13a verbindet, sind die Leitungsabschnitte 21 und 22 integral miteinander V-förmig verbunden. Da im Brückenabschnitt 15c unter dem konvergierenden Abschnitt 30 der Schlitz 16 vorgesehen ist, konzentrieren sich die Spannungen im V-förmigen Bereich 33 des konvergierenden Abschnitts 30. Entsprechend ist der V-förmige Abschnitt 33 vorzugsweise dicker als die anderen Abschnitte des konvergierenden Abschnitts 30. Das heißt, der V-förmige Abschnitt 33 ist vorzugsweise 6 bis 12 mm dick, 1,5- bis 3,0-mal so dick wie die Leitungsabschnitte. Wie in der 9 gezeigt, kann der Abgaskrümmer mit dem dicken V-förmigen Abschnitt 33 den Belastungen widerstehen, die auf den unteren Abschnitt des konvergierenden Abschnitts 30 einwirken, auch wenn sich im Brückenabschnitt 15c der Schlitz 16 befindet.
[4] Turbinengehäuse
Das Turbinengehäuse 40 ist üblicherweise ein Gehäuse für eine Radialturbine, es umfaßt eine Rotorkammer 41 und einen Abgas-Zuführanschluß 42, wie es in der 10 gezeigt ist. Das Turbinengehäuse 40 weist in tangentialer Richtung zum Abgasströmungsweg im konvergierenden Abschnitt 30 einen kreisförmigen Abgasströmungsweg auf. Da das Turbinengehäuse 40 einstückig an den Abgaskrümmer 1 angegossen ist, benötigt der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse nur wenig Platz. Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse besteht aus einem einheitlichen Guß aus Gußeisen, Gußstahl und dergleichen.
Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse wurde anhand der anhängenden Zeichnungen erläutert. Die vorliegende Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt, es sind verschiedene Modifikationen möglich. Auch kann der Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse verschiedene Größen mit verschiedenen Abmessungen seiner Teile haben.
Bei einem großen Abgaskrümmer kann der Leitungsabschnitt in drei Teile aufgeteilt werden. Dreiteilige Abgaskrümmer sind an sich bekannt; die vorliegende Erfindung kann dadurch darauf angewendet werden, daß der mittlere Leitungsabschnitt mit einem einstückig angegossenen Turbinengehäuse versehen wird.
Die vorliegende Erfindung wird genauer noch mit Bezug zu dem folgenden BEISPIEL beschrieben, ohne daß dadurch der Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschränkt werden soll.
BEISPIEL 1
Gußeisen mit hohem Si-Gehalt und speroidalen Graphit mit der Zusammensetzung 2,8–3,4 Gew.-% C, 3,75–4,5 Gew.-% Si, 0,6 Gew.-% oder weniger Mn, 0,02 Gew.-% oder weniger S, 0,08 Gew.-% oder weniger P, 0,030 Gew.-% oder mehr Mg und 0,4–0,7 Gew.-% Mo wurde zu einem Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse wie in den 1 bis 10 gezeigt gegossen und dann bearbeitet, um die folgenden Abmessungen zu erhalten:
Abstand W zwischen den Mittelpunkten der äußeren Anschlüsse: 400 mm;
Querschnitt des Abgasströmungsweges in den Leitungsabschnitten 46 mm²;
Querschnitt des Abgasströmungsweges im konvergierenden Abschnitt 44 mm²;
Vertikaler Abstand E vom Flansch zur Mittelachse der Rotorwelle 162,5 mm; und
Horizontaler Abstand F vom Flansch zur Mittelachse der Rotorwelle 84 mm.
Mit verschiedenen tangentialen Abständen L des Abgasströmungsweges von der Mittelachse des Turbinengehäuses 40 zum konvergierenden Abschnitt 30 und mit verschiedenen Verhältnisses (r/L) des Krümmungsradiusses (r) des Halsabschnitts 32 zum tangentialen Abstand L wurde der Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse bei 650–700°C für 500 Stunden betrieben, um zu untersuchen, ob im Halsabschnitt 32 Risse auftreten. Die Ergebnisse sind in der 11 gezeigt. In der 11 zeigt
an, daß im Halsbereich 32 keine Risse auftraten,
zeigt an, daß es auf der Oberfläche des Halsbereichs feine Risse gab, und
zeigt an, daß es Risse gab, die den Halsbereich 32 bis in den Abgasströmungsweg durchsetzten.
Die 11 zeigt, daß bei einem tangentialen Abstand L von 55 mm auf der Oberfläche des Halsabschnitts 32 feine Risse auftraten, wenn das Verhältnis (r/L) des Krümmungsradiusses (r) zum tangentialen Abstand L 0,18 betrug. Es ergaben sich jedoch keine Probleme, wenn der Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse mit diesen feinen Rissen betrieben wurde. Bei L = 65 mm traten feine Risse bei r/L = 0,13 auf, es gab aber keine Probleme. Das heißt, daß, wenn das Verhältnis r/L 0,13 oder größer ist, der Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse in der Praxis betrieben werden kann, ohne daß es Probleme gibt. Im gesamten Bereich von L = 40 mm bis 120 mm traten keine Risse auf, wenn r/L = 0,23 oder größer war. Das heißt, das das Verhältnis r/L vorzugsweise 0,23 ist oder größer.
Wie beschrieben weist der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse einen Halsabschnitt auf, in dem der konvergierende Abschnitt direkt mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, der einen geeigneten Krümmungsradius relativ zum tangentialen Abstand des Abgasströmungsweges von der Mitte des Turbinengehäuses zum konvergierenden Abschnitt besitzt, mit der Folge, daß auch dann keine Risse auftreten, wenn durch die Vibrationen der Turbine wiederholt Belastungen einwirken.
Da der Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse an den Leitungsabschnitten und am konvergierenden Abschnitt Rippen aufweist, entstehen in den Leitungsabschnitten und im konvergierenden Abschnitt des Abgaskrümmers auch dann keine Risse, wenn der Abgaskrümmer wiederholt thermischen Spannungen aufgrund von Unterschieden in der thermischen Expansion zwischen den oberen und unteren Teilen des Abgaskrümmers unterliegt. Da der konvergierende Abschnitt eine allmählich zunehmende Dicke aufweist, ist er ausreichend fest, um die Vibrationen des Turbinengehäuses aufzunehmen.
Die Flansche der beiden Anschlüsse, die an den konvergierenden Abschnitt angrenzen, sind über einen Brückenabschnitt mit einem Schlitz miteinander verbunden, so daß die thermischen Expansionen und Schrumpfungen der Leitungsabschnitte in axialer Richtung absorbiert werden, wodurch verhindert wird, daß auf die Schrauben, mit denen der Abgaskrümmer am Motorblock befestigt ist, übermäßige Kräfte einwirken. Durch das Verdicken des V-förmigen Bereichs des konvergierenden Abschnitts, in dem die beiden Leitungsabschnitte miteinander verbunden sind, gegenüber den anderen Abschnitten weist der V-förmige Bereich genug mechanische Festigkeit auf, um die thermischen Expansionen und Schrumpfungen der Leitungsabschnitte in axialer Richtung aufnehmen zu können.
Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse mit dem beschriebenen Aufbau weist hinsichtlich der mechanischen Festigkeit ausgezeichnete Eigenschaften auf, so daß keine Risse entstehen und damit eine lange Lebensdauer gegeben ist. Da der Aufbau ein integral angegossenes Turbinengehäuse für einen Turbolader umfaßt, kann der Abgaskrümmer stromlinienförmig ausgebildet werden, so daß auch in dem engen vorgegebenen Raum der Abgasströmungsweg glatt verläuft. Dadurch nimmt die Oberflächentemperatur des Abgaskrümmers ab, während die Leistungsfähigkeit des Turboladers ansteigt. Der erfindungsgemäße Abgaskrümmer mit integriertem Turbinengehäuse mit den genannten Vorteilen kann nicht nur für Dieselmotoren, sondern auch für Benzinmotoren verwendet werden.

Claims

Abgaskrümmer, der mit einem Turbinengehäuse (40) für einen Turbolader verbunden ist, mit einer Anzahl von Leitungsabschnitten (21, 22) mit Abgasströmungswegen und einer Anzahl von Anschlüssen (11 bis 14) zur Aufnahme von Abgas aus einem Motor; einer Anzahl von Flanschen (11a bis 14a), die sich jeweils integral von den Anschlüssen (11 bis 14) weg erstrecken; einem konvergierenden Abschnitt (30) für die Leitungsabschnitte (21, 22); einem mit dem konvergierenden Abschnitt (30) verbundenen Turbinengehäuse (40) mit einem kreisförmigen Abgasströmungsweg, wobei der Abgasströmungsweg im konvergierenden Abschnitt (30) in tangentialer Richtung relativ zu dem kreisförmigen Abgasströmungsweg in dem Turbinengehäuse (40) verläuft; und mit einem Halsabschnitt (32), in dem eine Außenfläche des Turbinengehäuses (40) mit einer Außenfläche des konvergierenden Abschnitts (30) verbunden ist, wobei der Halsabschnitt (32) ein Verhältnis r/L von mindestens 0,13 aufweist, wobei r der Krümmungsradius des Halsabschnitts (32) und L der Abstand des Abgasströmungswegs in tangentialer Richtung von der Mitte des Turbinengehäuses (40) zur Mittellinie des konvergierenden Abschnitts (30) ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (40) einstückig an den konvergierenden Abschnitt (30) angegossen ist, der konvergierende Abschnitt (30) die Abgasströmungswege der Leitungsabschnitte (21, 22) gleichmäßig konvergieren läßt, und daß das Paar (12, 13) der neben dem konvergierenden Abschnitt (30) liegenden Anschlüsse von Flanschen (12a, 13a) umgeben ist, die einen dazwischen verlaufenden Brückenabschnitt (15c) mit einem Schlitz (16) aufweisen.
Abgaskrümmer nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis r/L mindestens 0,23 beträgt.
Abgaskrümmer nach Anspruch 1, ferner mit an den Außenflächen der Leitungsabschnitte (21, 22) und des konvergierenden Abschnitts (30) ausgebildeten Rippen (21a, 22a, 31).
Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Turbinengehäuse (40) an einer Position angeordnet ist, die von der Mittellinie abweicht, die die Mitten der Anschlüsse (11 bis 14) verbindet, die Leitungsabschnitte (21, 22) unter Ausbildung eines V-förmigen Abschnitts auf der Seite der Mittellinie des konvergierenden Abschnitts (30) integral miteinander verbunden sind, und wobei der V-förmige Abschnitt einen Wandabschnitt aufweist, der dicker ist als andere Wandabschnitte des Abgaskrümmers (1).
Abgaskrümmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der konvergierende Abschnitt auf der einen Seite der Anschlüsse (11 bis 14) angeordnet ist und die Leitungsabschnitte (21, 22) auf der entgegengesetzten Seite der Anschlüsse angeordnet sind.
Abgaskrümmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schlitz (16) in dem Brückenabschnitt (15c) eine Breite von 3 mm oder weniger aufweist und im wesentlichen senkrecht zur Mittellinie der Leitungsabschnitte (21, 22) verläuft.