WO2008141927A1 - Abgasturbolader mit doppelschaligem gehäuse - Google Patents

Abgasturbolader mit doppelschaligem gehäuse Download PDF

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WO2008141927A1
WO2008141927A1 PCT/EP2008/055561 EP2008055561W WO2008141927A1 WO 2008141927 A1 WO2008141927 A1 WO 2008141927A1 EP 2008055561 W EP2008055561 W EP 2008055561W WO 2008141927 A1 WO2008141927 A1 WO 2008141927A1
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WO
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inner shell
turbocharger
outer shell
shell
ceramic material
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Application number
PCT/EP2008/055561
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dick Amos
Ulrich Bast
Andre Kaufmann
Udo Schwerdel
Original Assignee
Napier Turbochargers Limited
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Napier Turbochargers Limited, Continental Automotive Gmbh filed Critical Napier Turbochargers Limited
Publication of WO2008141927A1 publication Critical patent/WO2008141927A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/20—Oxide or non-oxide ceramics
    • F05D2300/22—Non-oxide ceramics
    • F05D2300/228—Nitrides
    • F05D2300/2283—Nitrides of silicon

Definitions

  • the basic principle of an exhaust gas turbocharger is that a compressor, the intake air for introduction into the
  • Combustion chambers of the engine pre-compressed is driven by a turbine through which flows from the exhaust gases of the engine.
  • a turbine For efficient use of the exhaust gas energy while the turbine is installed at a small distance to the combustion chambers of the internal combustion engine in the exhaust passage, and in particular always above a used for exhaust aftertreatment catalytic converter.
  • the hot exhaust gases blown out of the combustion chambers therefore first flow through the turbine of the turbocharger before they are fed to the exhaust gas catalytic converter.
  • a turbine housing for a turbocharger which has an inner cavity, which is provided with a ceramic coating acting as a thermal insulation. Since conventional methods for applying such a thermal barrier coating such as plasma spraying or electron beam evaporation require a certain distance from the surface to be coated, their use is hindered in narrow or complicated cavities. It proposes instead a manufacturing method in which a resin-bonded sand core is provided in the shape of the inner cavity, the ceramic coating is applied to the core by spraying stabilized zirconia, and the core with the ceramic layer is built into a mold , Steel is poured into the mold at a temperature below the melting temperature of the ceramic coating, and the core is removed.
  • a published example of the company BorgWarner shows a housing, made of thin, heat-resistant steel instead Made of cast steel, to shorten the warm-up phase during a cold start via a low heat capacity.
  • the housing may also be double-walled, wherein the air in the space acts as a thermal insulation.
  • Other approaches include, for example, integrated in the turbocharger pre-catalysts or exhaust system, which bypasses the turbocharger in the cold start phase. However, these designs do not solve the described problem of high exhaust temperature stress in gasoline engines.
  • the object of the invention is to provide an exhaust gas turbocharger which, with a simple structure and high stability, is able to withstand high exhaust gas temperatures, especially in gasoline engines, and which can shorten the phase during cold starting in which a vehicle catalytic converter is ineffective.
  • a turbocharger is provided for or in a motor vehicle, within which at least one turbine is arranged in a turbine housing, wherein the turbine housing an outer shell with a metallic material and an inner shell m
  • This invention is characterized in that, during operation of the turbocharger, the ceramic inner shell thermally insulates the metallic outer shell of the turbine housing from high temperature incoming exhaust gases, thus allowing, in particular, use in conjunction with gasoline engines without having to limit the combustion temperature of these engines. Furthermore, due to the low thermal conductivity of the material during a cold start, the inner surface of the inner shell is heated in a short time, so that the temperature of the exhaust gas leaving the turbine reaches a threshold value after only a short time at which a downstream vehicle catalytic converter becomes effective. Elaborate additional constructions such as pre-catalysts or devices for bypassing the turbocharger are not necessary. The required space does not change or only marginally.
  • outer shell materials can be used, e.g. Steel instead of conventionally used, expensive superalloys or intermetallic phases.
  • suitable materials can be freely selected without the choice of e.g. would be limited by the fact that as in a conventional ceramic coating, the thermal expansion coefficient of the ceramic material would have to be matched with the thermal expansion coefficient of the metallic material.
  • the structure-bearing metallic outer shell gives the turbocharger according to the invention thereby a high mechanical stability.
  • the separate composition of the turbine housing from an inner and outer shell makes it possible to produce the shells separately, whereby otherwise expected bending stresses can be avoided in a composite production.
  • the inner shell has a thickness between 1 mm and 10 mm, preferably between 2 mm and 3 mm. With a thickness in this range, a particularly advantageous combination of effective thermal insulation effect and mechanical stability of the inner shell is achieved.
  • the ceramic material comprises at least one of alumina, aluminum titanate, mullite (a mixed crystal of Al 2 O 3 and SiO 2 ), silicon nitride and zirconia.
  • Aluminum titanate has the advantages of a particularly low thermal conductivity and a relatively high elongation tolerance due to microcracks contained in the material.
  • Mullite, silicon nitride and zirconium dioxide are characterized by high which allows great freedom in shaping the inner shell.
  • additives for reducing the thermal conductivity may be present in the ceramic base materials, which has the advantage of combining mechanical stability and low thermal conductivity in a material in this way.
  • the ceramic material has a porous microstructure, whereby a particularly low thermal conductivity is achieved.
  • Another embodiment provides for the inner shell, the use of a fiber-reinforced ceramic material.
  • the ceramic material has a matrix of aluminum oxide or lithium and oxide fibers of similar or identical composition.
  • the inner shell is connected under pressure prestress to the outer shell.
  • a greater stability of the inner shell is achieved, in particular when using materials with low tensile strength.
  • the mechanical stability of a ceramic material, such as aluminum titanate, which is permeated by micro-cracks is increased by the compressive prestress, so that it is possible to correspondingly reduce the wall thickness of the inner shell.
  • the inner shell is movably connected to the outer shell, ie inner shell and outer shell can move within limits against each other.
  • inner and outer shell are elastically connected to each other, so that regardless of what temperature difference between the inner and outer shell prevails, the inner shell is held without play and consequent vibration and friction in the outer shell.
  • an intermediate layer is arranged between the outer shell and the inner shell. Through the intermediate layer, the inner shell can be connected to the outer shell in order to achieve greater stability.
  • the intermediate layer has a softer material than the outer shell and the inner shell.
  • the two shells can be flexibly connected to each other by means of the intermediate layer, so that on the one hand, the inner shell is kept stable, on the other hand but prevents that build up due to different thermal expansion coefficients mechanical stresses between the shells.
  • the material of the intermediate layer is a metallic or ceramic material with foam and / or fiber structure. Such materials are characterized both by elasticity and by low thermal conductivity, so that the soft intermediate layer contributes to further thermal insulation.
  • the outer shell, the inner shell or both shells are made Tantene. This is particularly advantageous since the inner shell can thus be inserted into a geometry of the turbine housing whose inner cavities are larger than the openings of the housing.
  • both the outer shell can be made Tantene in accessible in the split state parts of the facedgehauses, as well as the inner shell are made Tantene to e.g. through the openings of the housing parts of appropriate dimension to import into the outer shell can.
  • a method of manufacturing a turbine housing for a turbocharger that may be used both as part of the manufacture of the turbocharger and in the event of the turbine housing being separately fabricated as desired.
  • an inner shell with a ceramic material and an outer shell with a metallic material are provided.
  • the inner shell is inserted into at least a part of the outer shell.
  • a soft intermediate layer is inserted between the inner shell and the outer shell.
  • the inner shell is provided in several pieces.
  • the pieces of the inner shell are combined simultaneously with or after the insertion of the inner shell in the outer shell.
  • the outer shell is provided in several pieces, wherein the pieces of the outer shell are assembled after or at the same time as the insertion of the inner shell.
  • This embodiment has the advantage that the inner shell can be executed einstuckig or the number of pieces of the inner shell can be limited. Furthermore, even remote cavities of the Turbinengehauses can be provided with a ceramic lining.
  • the method additionally comprises a step of inserting a soft intermediate layer between inner shell and outer shell.
  • a part or the entire intermediate layer can be applied to the inside of the outer shell or to the outside of the inner shell before inserting the inner shell.
  • 1 shows a cross section of a conventional exhaust gas turbocharger
  • 2 shows a cross section of a turbine housing of a turbocharger according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method for producing a turbine housing of a turbocharger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an elevational view of a conventional exhaust gas turbocharger 102 having a turbine 118 and a compressor 116.
  • a turbine housing 106 of the turbine 118 a turbine wheel 108 is rotatably supported and connected to one end of a shaft 110.
  • a compressor housing 100 of the compressor 116 a compressor wheel 104 is also rotatably mounted and connected to the other end of the shaft 110.
  • hot exhaust gas is introduced into the turbine 118 by an internal combustion engine, not shown here, causing the turbine wheel 108 to rotate.
  • the exhaust flow leaves the turbine 118 through a turbine outlet 114.
  • the turbine 118 drives the compressor 116 via the shaft 110, which couples the turbine wheel 108 to the compressor wheel 104.
  • the rotation of the compressor wheel 104 generates a negative pressure at the compressor inlet 120, is sucked through the air from a not shown here, communicating with the outside air intake tract in the compressor 116.
  • the compressed intake air leaves the compressor 104 in the radial direction and is supplied to the engine via an air outlet, not shown here, at the periphery of the compressor housing 100.
  • FIG. 2 shows a cross section of a turbine housing 106 of a turbocharger according to an embodiment of the invention.
  • the turbine housing 106 may be embodied as a separate component, for example in the extent shown, or as part of a further components such as the compressor housing comprehensive turbocharger housing.
  • the turbine housing 106 has a turbine inlet 112 and a turbine outlet 114.
  • the turbine housing 106 is double-walled in sections of its inner surface and has a metallic outer shell 200 and a ceramic inner shell 202 in these sections.
  • the outer shell 200 is made of steel or gray cast iron, for example, and has a structure-supporting function providing the mechanical stability of the turbine housing 106.
  • the inner shell 202 is made of a ceramic material with low thermal conductivity, such as (partially stabilized) zirconia, alumina or silicon nitride.
  • a ceramic material with low thermal conductivity such as (partially stabilized) zirconia, alumina or silicon nitride.
  • Other ceramic materials with very low thermal conductivity such as from the groups of perovskites, pyrochlore or spinels, can also be used.
  • an intermediate layer 204 is disposed of a material that is more compliant than inner 202 and outer shell 200, e.g. of a ceramic fiber material, or a metallic or ceramic material having a foam structure.
  • the inner shell 202 is elastically held in the outer shell 200.
  • the intermediate layer 204 is elastically compressed until a stable temperature gradient has been established between inner 202 and outer shell 200.
  • the inner shell 202 consists of several segments which rest on the intermediate layer 204 and adjoin one another. Due to the multi-piece design of the inner shell 202, joints 206 between the individual segments can expand or close as the operating temperature changes, so that Tensions in the ceramic material are largely avoided. Conveniently, the inner shell 202 is divided into segments such that they are held solely by their geometric shape in the outer shell 200. In this case, the elastic property of the intermediate layer 204 allows the segments to be dimensioned such that the joints 206 always remain closed over the range of the operating temperatures of the turbocharger, or that the segments are always pressed together with a predetermined minimum force. In this case, the inner shell 202 is under constant compression bias, which allows the use of low tensile strength ceramic materials such as aluminum titanate.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for producing a turbine housing of a turbocharger according to an embodiment of the invention.
  • an inner shell with a ceramic material and an outer shell with a metallic material are first provided.
  • both the outer shell and the inner shell are each provided in several pieces.
  • the pieces of the outer shell are e.g. can be made of steel or gray cast iron, conventional ceramic technologies can be used to provide the pieces of the inner shell, e.g. Pressing or slip casting followed by solidification and densification by sintering at high temperature.
  • An alternative method of manufacturing the inner shell pieces is thermal spraying. In this case, the individual pieces are built up in layers by injecting the ceramic onto a core designed in accordance with the particular shape required, and then detached from the core.
  • a material which is softer than the materials of outer and inner shell for example a ceramic fiber material, is applied to the inside of pieces of the outer shell to form the intermediate layer.
  • this material is applied to the outside of pieces of the inner shell.
  • the application can each take place over the entire inner or outer surface of the pieces in the half desired thickness of the intermediate layer, or in the full desired thickness in sections either on the outside of a portion of the inner shell or on the inside of the corresponding portion of the outer shell.
  • the application itself can be done by simply inserting or eg by fastening with a suitable adhesive.
  • step 302 the pieces of the inner shell are inserted into the outer shell and are gradually joined together in step 306 to the inner shell.
  • step 308 the pieces of outer shell are joined together and e.g. firmly connected by screwing.
  • steps 302, 303, 306 can take place in a suitable manner successively or simultaneously, corresponding to the respective geometric division of the inner and outer shell into their pieces. Since, in steps 304 and 305, the material of the intermediate layer has already been applied to the pieces of the inner and / or outer shell, the overall result of the steps 302-308 is a step 303, by means of which the intermediate layer is inserted between the inner and outer shell ,

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Abstract

Die Erfindung schafft einen Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (106), in dem zumindest eine Turbine angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse (106) eine Außenschale (200) aus einem metallischen Werkstoff und eine Innenschale (202) aus einem keramischen Werkstoff aufweist. Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses (106) eines Turboladers geschaffen, bei dem zunächst eine Innenschale (202) mit einem keramischen Werkstoff und eine Außenschale (200) mit einem metallischen Werkstoff bereitgestellt werden. In weiteren Schritten wird die Innenschale (202) in mindestens einen Teil der Außenschale (200) eingesetzt, und eine weiche Zwischenschicht (204) zwischen die Innenschale (202) und die Außenschale (200) eingefügt.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader mit doppelschaligem Gehäuse
Es ist allgemein bekannt, dass die Leistung, die Verbrauchsund Emissionswerte von Verbrennungsmotoren durch Abgasturbolader verbessert werden können. Die Möglichkeit, mit Motoren kleineren Hubraums eine Leistung zu erreichen, die bisher hubraumstärkeren Motoren vorbehalten war, und gleichzeitig Schadstoffemissionen und Treibstoffverbrauch zu verringern, macht den Einsatz von Turboladern auch bei Benzinmotoren zunehmend attraktiv.
Das Grundprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, dass ein Verdichter, der angesaugte Luft zur Einleitung in die
Brennräume des Motors vorverdichtet, durch eine von den Abgasen des Motors durchströmte Turbine angetrieben wird. Zur effizienten Nutzung der Abgasenergie wird dabei die Turbine in geringem Abstand zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors in den Abgaskanal eingebaut, und insbesondere stets oberhalb eines zur Abgasnachbehandlung eingesetzten Abgaskatalysators. Die aus den Brennräumen ausgeblasenen heißen Abgase durchströmen daher zunächst die Turbine des Turboladers, bevor sie dem Abgaskatalysator zugeführt werden.
Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass sich bei Einsatz eines Turboladers die Abgastemperatur am Fahrzeugkatalysator durch die Abgabe von Wärme an den Turbolader reduziert. Dies ist insbesondere während der Kaltstartphase nachteilig, da gegen- wärtige Abgaskatalysatoren unterhalb einer Betriebstemperatur von 250-300 0C nahezu wirkungslos sind. Aufgrund der reduzierten Abgastemperatur erwärmt sich der Abgaskatalysator langsamer, und seine Wirkung setzt mit entsprechender Verzögerung ein. Die Folge ist eine auch unter dem Gesichtspunkt zukünftiger gesetzlicher Regelungen inakzeptable Schadstoffemission . Ein weiteres Problem der beschriebenen Anordnung, das besonders bei der Turboladeranwendung für Benzinmotoren entsteht, ist die im Vergleich zu Dieselmotoren wesentlich höhere Abgastemperatur. Bei Vollgasbetrieb kann diese Temperatur bis zu 1100 0C betragen. Mit einer entsprechend höheren thermischen Beanspruchung der Materialien des Turboladers ist deshalb zu rechnen. Als Folge der extrem hohen Temperaturen ist nicht nur eine schnellere Ermüdung der Werkstoffe, sondern auch ein verstärkter Korrosionsangriff durch das Abgas zu er- warten, wodurch die Lebensdauer des Turboladers stark herabgesetzt wird.
Aus der US 2006/0021731 Al ist ein Turbinengehäuse für einen Turbolader bekannt, der eine innere Höhlung aufweist, die mit einer als Wärmedämmung wirkenden keramischen Beschichtung versehen ist. Da übliche Verfahren zum Aufbringen einer solchen Wärmedämmschicht wie Plasmasprühen oder Elektronen- strahlverdampfen einen gewissen Abstand zur zu beschichtenden Oberfläche erfordern, ist ihre Anwendung bei engen oder kom- plizierten Höhlungen behindert. Es wird statt ihrer ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein harzgebundener Sandkern in der Form der inneren Höhlung bereitgestellt wird, die keramische Beschichtung durch Sprühen stabilisierten Zir- konoxids auf den Kern aufgebracht wird, der Kern mit der ke- ramischen Schicht in eine Gussform eingebaut wird, Stahl einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen Beschichtung in die Form gegossen wird, und der Kern entfernt wird.
Aufgrund der nicht geschlossenen Geometrie von in Turboladern verwendeten Gehäuseteilen ist jedoch zu erwarten, dass das Umgießen einer entsprechend geformten, vorgefertigten keramischen Beschichtung mit Metall beim Erstarren und Abkühlen des Metalls zu Biegespannungen in der Beschichtung führt, die die Stabilität der Beschichtung nachteilig beeinflussen.
Ein veröffentlichtes Beispiel der Firma BorgWarner zeigt ein Gehäuse, das aus dünnem, hitzebeständigem Stahlblech statt aus Stahlguss besteht, um über eine niedrige Wärmekapazität die Aufwärmphase beim Kaltstart zu verkürzen. Das Gehäuse kann auch doppelwandig ausgeführt sein, wobei die im Zwischenraum befindliche Luft als thermische Isolierung wirkt. Weitere Ansätze bestehen z.B. aus in den Turbolader integrierten Vor-Katalysatoren oder einer Abgasführung, die in der Kaltstartphase den Turbolader umgeht. Diese Konstruktionen lösen jedoch das beschriebene Problem der Beanspruchung durch hohe Abgastemperaturen bei Benzinmotoren nicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader bereitzustellen, der bei einfachem Aufbau und hoher Stabilität in der Lage ist, insbesondere bei Benzinmotoren auftretenden hohen Abgastemperaturen zu widerstehen, und der die Phase beim Kaltstart verkürzen kann, in der ein Fahrzeugkatalysator unwirksam ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt wird, innerhalb dessen zumindest eine Turbine in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse eine Außenschale mit einem metallischen Werkstoff und eine Innenschale m
Diese Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Betrieb des Turboladers die keramische Innenschale die metallische Außenschale des Turbinengehäuses von einströmenden Abgasen hoher Temperatur thermisch isoliert, so dass insbesondere eine Anwendung in Verbindung mit Benzinmotoren ermöglicht wird, ohne dass die Verbrennungstemperatur dieser Motoren begrenzt werden muss. Weiterhin wird die innere Oberfläche der Innenschale aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials bei einem Kaltstart in kurzer Zeit erwärmt, so dass die Temperatur des aus der Turbine austretenden Abgases bei einem Kaltstart schon nach kurzer Zeit einen Grenzwert erreicht, bei dem ein nachgeschalteter Fahrzeugkatalysator wirksam wird. Aufwändige Zusatzkonstruktionen wie Vor-Katalysatoren oder Vorrichtungen zum Umgehen des Turboladers sind nicht notwendig. Der benötigte Bauraum verändert sich nicht oder nur unwesentlich.
Da thermische und korrosive Beanspruchungen der Außenschale im Vergleich zu einem herkömmlichen Metallgehäuse stark verringert sind, können kostengünstige Werkstoffe für die Außenschale verwendet werden, z.B. Stahl statt in herkömmlicher Bauweise verwendeter, kostspieliger Superlegierungen oder intermetallischer Phasen. Für die Innenschale können geeignete Materialien frei ausgewählt werden, ohne dass die Wahl z.B. dadurch eingeschränkt wäre, dass wie bei einer herkömmlichen keramischen Beschichtung der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Materials mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Materials abgestimmt sein müsste.
Die Struktur tragende metallische Außenschale verleiht dem erfindungsgemäßen Turbolader dabei eine hohe mechanische Stabilität. Die getrennte Zusammensetzung des Turbinengehäuses aus einer Innen- und Außenschale ermöglicht es, die Schalen getrennt herzustellen, wodurch bei einer Herstellung im Verbund ansonsten zu erwartende Biegespannungen vermieden werden können .
Gemäß einer Ausführungsform weist die Innenschale dabei eine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm auf, vorzugsweise zwischen 2 mm und 3 mm. Bei einer Dicke in diesem Bereich wird eine besonders vorteilhafte Verbindung von effektiver thermischer Isolationswirkung und mechanischer Stabilität der Innenschale erreicht .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Keramikwerkstoff mindestens eines der Materialien Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat, Mullit (ein Mischkristall aus Al2O3 und SiO2), Siliziumnitrid und Zirkoniumdioxid auf. Aluminium- titanat besitzt die Vorteile einer besonders niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer relativ hohen Dehnungstoleranz, aufgrund von im Material enthaltenen Mikrorissen. Mullit, Siliziumnitrid und Zirkoniumdioxid zeichnen sich durch hohe Fes- tigkeit aus, wodurch sie große Freiheiten in der Formgebung der Innenschale gestatten. Optional können in den keramischen Grundmaterialien Zusätze zur Herabsetzung der Wärmeleitfähigkeit enthalten sein, was den Vorteil hat, auf diese Weise me- chanische Stabilität und niedrige Wärmeleitfähigkeit in einem Material zu kombinieren.
Gemäß einer Ausführungsform weist der keramische Werkstoff eine poröse Mikrostruktur auf, wodurch eine besonders niedri- ge Wärmeleitfähigkeit erzielt wird. Eine weitere Ausführungsform sieht für die Innenschale die Verwendung eines faserverstärkten keramischen Werkstoffs vor. Beispielsweise weist der keramische Werkstoff eine Matrix aus Aluminiumoxid oder MuI- lit und oxidische Fasern ähnlicher oder gleicher Zusammenset- zung auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale unter Druckvorspannung mit der Außenschale verbunden. Hierdurch wird eine größere Stabilität der Innenschale insbesondere bei Ver- wendung von Materialien mit geringer Zugfestigkeit erreicht. Beispielsweise wird die mechanische Stabilität eines von Mik- rorissen durchzogenen keramischen Materials wie Aluminiumti- tanat durch die Druckvorspannung erhöht, so dass ermöglicht wird, die Wandstärke der Innenschale entsprechend zu reduzie- ren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale mit der Außenschale beweglich verbunden, d.h. Innenschale und Außenschale können sich in Grenzen gegeneinander bewegen. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere während der Kaltstartphase, wenn Innen- und Außenschale unterschiedlich schnell erwärmt werden, Spannungen vermieden werden, da Innen- und Außenschale sich unabhängig voneinander thermisch ausdehnen können. Vorzugsweise sind Innen- und Außenschale elastisch miteinan- der verbunden, so dass unabhängig davon, welche Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenschale herrscht, die Innenschale ohne Spiel und daraus folgenden Vibrationen und Reibung in der Außenschale gehalten wird. Gemäß einer Ausfuhrungsform ist zwischen der Außenschale und der Innenschale eine Zwischenschicht angeordnet. Durch die Zwischenschicht lasst sich die Innenschale mit der Außenscha- Ie verbinden, um so zu einer größeren Stabilität zu gelangen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht ein weicheres Material aufweist als die Außenschale und die Innenschale. In diesem Fall nämlich können die beiden Schalen mittels der Zwischenschicht flexibel miteinander verbunden werden, so dass zum einen die Innenschale stabil gehalten wird, zum anderen aber verhindert wird, dass sich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen zwischen den Schalen aufbauen. Vorzugsweise ist das Material der Zwischenschicht ein metallisches oder kera- misches Material mit Schaum- und/oder Faserstruktur. Derartige Materialien zeichnen sich sowohl durch Elastizität als auch durch geringe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass die weiche Zwischenschicht zur weiteren Wärmedämmung beitragt.
Gemäß einer Ausfuhrungsform sind die Außenschale, die Innenschale oder beide Schalen mehrstuckig ausgeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich so die Innenschale in eine Geometrie des Turbinengehauses einfügen lasst, deren innere Höhlungen großer als die Offnungen des Gehäuses sind. Dabei kann sowohl die Außenschale mehrstuckig ausgeführt werden, um das Innengehause in die im geteilten Zustand zuganglichen Teile des Außengehauses einzupassen, als auch die Innenschale mehrstuckig ausgeführt werden, um z.B. durch die Offnungen des Gehäuses Teile entsprechender Dimension in die Außenscha- Ie einfuhren zu können.
Unter einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehauses für einen Turbolader bereitgestellt, das sowohl als Teil der Herstellung des Turbo- laders als auch bei möglicher separater Herstellung des Turbinengehauses verwendet werden kann. Gemäß dem Verfahren werden eine Innenschale mit einem keramischen Werkstoff und eine Außenschale mit einem metallischen Werkstoff bereitgestellt. Die Innenschale wird in mindestens einen Teil der Außenschale eingesetzt. Zwischen die Innenschale und die Außenschale wird eine weiche Zwischenschicht eingefugt.
Gemäß einer Ausfuhrungsform wird dabei die Innenschale mehrstuckig bereitgestellt. Die Stucke der Innenschale werden gleichzeitig mit oder nach dem Einsetzen der Innenschale in die Außenschale zusammengefugt. Dies hat den Vorteil, dass die Teile der Innenschale so klein gestaltet werden können, dass sie durch die Offnungen der Außenschale passen und somit die Herstellung der Außenschale einstuckig erfolgen oder bei einer teilbaren Außenschale die Anzahl der Stucke begrenzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform ist die Außenschale mehrstuckig bereitgestellt, wobei die Stucke der Außenschale nach oder gleichzeitig mit dem Einsetzen der Innenschale zusammengesetzt werden. Diese Ausfuhrungsform hat den Vorteil, dass die Innenschale einstuckig ausgeführt werden kann oder die Anzahl der Stucke der Innenschale begrenzt werden kann. Weiterhin können so auch entlegene Höhlungen des Turbinengehauses mit einer keramischen Auskleidung versehen werden.
Gemäß weiteren Ausfuhrungsformen umfasst das Verfahren zu- satzlich einen Schritt des Einfugens einer weichen Zwischenschicht zwischen Innenschale und Außenschale. Dabei kann je nach Ausfuhrungsform ein Teil oder die ganze Zwischenschicht vor dem Einsetzen der Innenschale auf die Innenseite der Außenschale, oder aber auf die Außenseite der Innenschale auf- gebracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines üblichen Abgasturboladers, Fig. 2 einen Querschnitt eines Turbinengehauses eines Turboladers gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung, und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinengehauses eines Turboladers gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche beziehungsweise funktionsglei- che Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen .
Figur 1 zeigt einen Aufriss eines üblichen Abgasturboladers 102 mit einer Turbine 118 und einem Verdichter 116. Innerhalb eines Turbinengehauses 106 der Turbine 118 ist ein Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb eines Verdichtergehauses 100 des Verdichters 116 ist ein Verdichterrad 104 ebenfalls drehbar gelagert und mit dem anderen Ende der Welle 110 verbunden. Über einen Turbineneinlass 112 wird heißes Abgas von einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor in die Turbine 118 eingelassen, wodurch das Turbinenrad 108 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlasst die Turbine 118 durch einen Turbinenauslass 114. Über die Welle 110, die das Turbinenrad 108 an das Verdichterrad 104 koppelt, treibt die Turbine 118 den Verdichter 116 an.
Die Rotation des Verdichterrads 104 erzeugt einen Unterdruck am Verdichtereinlass 120, durch den Luft aus einem hier nicht gezeigten, mit der Außenluft in Verbindung stehenden Ansaugtrakt in den Verdichter 116 gesaugt wird. Die verdichtete Ansaugluft verlasst das Verdichterrad 104 in radialer Richtung und wird über einen hier nicht gezeigten Luftauslass an der Peripherie des Verdichtergehauses 100 dem Verbrennungsmotor zugeführt.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines Turbinengehauses 106 eines Turboladers gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung. Das Turbinengehäuse 106 kann dabei als ein separates Bauteil z.B. im dargestellten Umfang ausgeführt sein, oder aber als Bestandteil eines weitere Bestandteile wie z.B. das Verdichtergehäuse umfassenden Turboladergehäuses. Analog zu dem in Fig. 1 dargestellten Turbolader weist das Turbinengehäuse 106 einen Turbineneinlass 112 und einen Turbinenauslass 114 auf. Das Turbinengehäuse 106 ist in Abschnitten seiner Innenfläche doppelwandig ausgeführt und weist in diesen Abschnitten eine metallische Außenschale 200 und eine keramische Innenschale 202 auf. Die Außenschale 200 ist z.B. aus Stahl oder Grauguss gefertigt und hat eine Struktur tragende, die mechanische Stabilität des Turbinengehäuses 106 bereitstellende Funktion. Die Innenschale 202 besteht aus einem keramischen Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. (teilstabilisier- tes) Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid. Weitere Keramikmaterialien mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. aus den Gruppen der Perowskite, Pyrochlore o- der Spinelle, können ebenfalls eingesetzt werden.
Zwischen der Innenschale 202 und der Außenschale 200 ist eine Zwischenschicht 204 aus einem Material angeordnet, das nachgiebiger ist als Innen- 202 und Außenschale 200, z.B. aus einem keramischen Fasermaterial, oder einem metallischen oder keramischen Material mit Schaumstruktur. Durch die Zwischen- schicht 204 wird die Innenschale 202 elastisch in der Außenschale 200 gehalten. Wenn sich im Betrieb die Innenschale 202 während der Kaltstartphase schneller erhitzt und infolgedessen schneller thermisch expandiert als die Außenschale 200, wird die Zwischenschicht 204 elastisch komprimiert, bis sich ein stabiles Temperaturgefälle zwischen Innen- 202 und Außenschale 200 eingestellt hat.
In der Darstellung von Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Innenschale 202 aus mehreren Segmenten besteht, die auf der Zwischenschicht 204 aufliegen und aneinander angrenzen. Durch die mehrstückige Ausführung der Innenschale 202 können sich Fugen 206 zwischen den einzelnen Segmenten bei Veränderungen der Betriebstemperatur ausdehnen bzw. schließen, so dass Spannungen im keramischen Material weitgehend vermieden werden. Zweckmäßigerweise ist die Innenschale 202 derart in Segmente aufgeteilt, dass diese allein durch ihre geometrische Form in der Außenschale 200 gehalten werden. Dabei erlaubt es die elastische Eigenschaft der Zwischenschicht 204, die Segmente so zu dimensionieren, dass die Fugen 206 über den Bereich der Betriebstemperaturen des Turboladers stets geschlossen bleiben, bzw. dass die Segmente stets mit einer vorbestimmten Mindestkraft aneinander gedrückt werden. In diesem Fall steht die Innenschale 202 unter ständiger Druckvorspannung, was die Verwendung von keramischen Materialien geringer Zugfestigkeit wie z.B. Aluminiumtitanat erlaubt.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Her- Stellung eines Turbinengehäuses eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In Schritt 300 werden zunächst ein Innenschale mit einem keramischen Werkstoff und eine Außenschale mit einem metallischen Werkstoff bereitgestellt. In der gezeigten Ausführungsform wird dabei sowohl die Außen- als auch die Innenschale jeweils mehrstückig bereitgestellt. Während die Stücke der Außenschale z.B. durch Stahl- oder Grauguss gefertigt werden können, können zur Bereitstellung der Stücke der Innenschale herkömmliche Keramiktechnologien angewandt werden, wie z.B. Pressen oder Schlickergießen mit anschließender Verfestigung und Verdichtung durch Sintern bei hoher Temperatur. Eine alternative Herstellungsmethode für die Stücke der Innenschale ist das thermische Spritzen. Hierbei werden die einzelnen Stücke durch Spritzen der Keramik auf einen entsprechend der jeweils benötigten Form gestalte- ten Kern lagenweise aufgebaut und anschließend vorm Kern abgelöst .
In Schritt 304 wird zur Bildung der Zwischenschicht ein Material, das weicher ist als die Materialien von Außen- und In- nenschale, z.B. ein keramisches Fasermaterial, auf die Innenseite von Stücken der Außenschale aufgebracht. In Schritt 305 wird dieses Material auf die Außenseite von Stücken der Innenschale aufgebracht. Hierbei kann das Aufbringen jeweils über die gesamte Innen- bzw. Außenfläche der Stücke in der halben gewünschten Dicke der Zwischenschicht erfolgen, oder aber in der vollen gewünschten Dicke abschnittsweise entweder auf der Außenseite eines Abschnitts der Innenschale oder auf der Innenseite des entsprechenden Abschnitts der Außenschale. Das Aufbringen selbst kann durch einfaches Einlegen oder z.B. durch Befestigen mit einem geeigneten Haftmittel erfolgen.
In Schritt 302 werden die Stücke der Innenschale in die Au- ßenschale eingesetzt und dabei nach und nach in Schritt 306 zur Innenschale zusammengefügt. In Schritt 308 werden die Stücke der Außenschale zusammengefügt und z.B. durch Ver- schrauben fest miteinander verbunden. Dabei können diese Schritte 302, 303, 306 in geeigneter Weise nacheinander oder gleichzeitig erfolgen, entsprechend der jeweiligen geometrischen Aufteilung der Innen- und Außenschale in deren Stücke. Da in den Schritten 304 und 305 das Material der Zwischenschicht bereits auf die Stücke der Innen- und/oder Außenschale aufgetragen wurde, ergibt sich im Zusammenwirken der Schritte 302-308 insgesamt ein Schritt 303, durch den die Zwischenschicht zwischen Innen- und Außenschale eingefügt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Turbolader (102) für ein oder in einem Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (106), in dem zumindest eine Turbine (108) angeordnet ist, wobei das Turbinengehäuse (106) eine Außenschale (200) aus einem metallischen Werkstoff und eine Innenschale (202) aus einem keramischen Werkstoff aufweist.
2. Turbolader (102) nach Anspruch 1, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Innenschale (202) eine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm, und insbesondere eine Dicke von 2 mm bis 3 mm aufweist .
3. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Aluminiumoxid, Aluminiumtita- nat, Mullit, Siliziumnitrid oder/und Zirkoniumdioxid auf- weist.
4. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff einen Grundwerkstoff und Zusät- ze aufweist, durch welche die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs gegenüber dem Grundwerkstoff herabgesetzt ist.
5. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff eine poröse Mikrostruktur aufweist .
6. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du r ch ge ke nn z e i ch ne t , dass der keramische Werkstoff durch oxidische Fasern verstärkt ist.
7. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) unter Druckvorspannung mit der Außenschale (200) verbunden.
8. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) mit der Außenschale (200) beweglich, insbesondere elastisch, verbunden ist.
9. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenschale (200) und der Innenschale (202) eine Zwischenschicht (204) angeordnet ist.
10 . Turbolader ( 102 ) nach Anspruch 9 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zwischenschicht (204) ein weicheres Material aufweist als die Außenschale (200) und die Innenschale (202), und insbesondere das weichere Material ein metallisches oder keramisches Material mit Schaum- und/oder Faserstruktur ist.
11. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (200) und/oder die Innenschale (202) mehrstückig sind.
12. Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses (106) eines Turboladers (102), mit den Schritten: Bereitstellen (300) einer Innenschale (202) mit einem keramischen Werkstoff und einer Außenschale (200) mit einem metallischen Werkstoff,
Einsetzen (302) der Innenschale (202) in mindestens einen Teil der Außenschale (200), und Einfügen (303) einer weichen Zwischenschicht (204) zwischen die Innenschale (202) und die Außenschale (200) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (202) mehrstückig bereitgestellt wird und weiterhin ein Schritt des Zusammenfügens (306) der mehrstückigen Innenschale (202) gleichzeitig mit oder nach dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) vorgesehen ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (200) mehrstückig bereitgestellt wird und weiterhin ein Schritt des Zusammenfügens (308) der mehrstückigen Außenschale (200) gleichzeitig mit oder nach dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) vorgesehen ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen (303) zumindest eines Teils der weichen Zwischenschicht (204) durch Aufbringen (304) auf eine Innenseite der Außenschale (200) vor dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen (303) zumindest eines Teils der weichen Zwischenschicht (204) durch Aufbringen (305) auf eine Außen- seite der Innenschale (202) vor dem Einsetzen (302) der Innenschale (202) erfolgt.
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