WO2015051891A1 - Hitzeschild für einen abgasturbolader und abgasturbolader sowie ein verfahren zur herstellung eines hitzeschilds - Google Patents

Hitzeschild für einen abgasturbolader und abgasturbolader sowie ein verfahren zur herstellung eines hitzeschilds Download PDF

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WO2015051891A1
WO2015051891A1 PCT/EP2014/002676 EP2014002676W WO2015051891A1 WO 2015051891 A1 WO2015051891 A1 WO 2015051891A1 EP 2014002676 W EP2014002676 W EP 2014002676W WO 2015051891 A1 WO2015051891 A1 WO 2015051891A1
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WO
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heat shield
exhaust gas
spiral channel
gas turbocharger
partition wall
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PCT/EP2014/002676
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Manfred GUTHÖRLE
Roberto De Santis
Tobias Scheuermann
Simon Schweigert
Bernhard DREHER
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Ihi Charging Systems International Gmbh
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    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F05D2240/10—Stators
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a heat shield for an exhaust gas turbocharger of the type specified in the preamble of patent claim 1 and an exhaust gas turbocharger according to the
  • the published patent application DE 10 2009 005 013 A1 discloses an exhaust-gas turbocharger with a heat shield, which is positioned between a flow-through exhaust-gas guide section of the exhaust-gas turbocharger and a bearing section of the exhaust-gas turbocharger.
  • the exhaust gas guide portion is formed Moflutig, that is, it has at least one flow through the first spiral channel and a flow-through second
  • the heat shield is in addition to its function as a heat-insulating
  • Shielding means for centering the exhaust gas guide portion formed with the bearing portion.
  • the published patent application WO 2009/068460 A1 discloses a hollow-frusto-conical heat shield, which is designed graduated in sections on its lateral surface such that a resilient effect can be achieved in addition to the function of the heat-insulating shield.
  • the object of the present invention is to provide a heat shield, which in addition to its heat-insulating shielding cost a cost
  • Improved efficiency exhaust gas turbocharger can be realized, and to provide an exhaust gas turbocharger with improved efficiency.
  • the first aspect of the invention relates to a heat shield for an exhaust gas turbocharger, with the aid of which at least one flow-through exhaust gas guide section of the
  • Exhaust gas turbocharger and another portion of the exhaust gas turbocharger at least
  • the exhaust gas guide section has at least one throughflowable first spiral channel and a throughflowable second spiral channel.
  • the heat shield is designed to be separable from the first spiral channel and the second spiral channel, at least in sections, by means of at least one partition wall, wherein the heat shield is formed from sheet metal.
  • the two spiral channels are spiral channels, which are to be sealed against each other as far as possible flow-tight.
  • Conventional spiral channels have geometries and tolerances of the exhaust gas guide section on the basis of the customary production methods of the exhaust gas guide section, which different flow characteristics of a fluid flowing through the spiral channels for technical production and economic reasons
  • Requirement profiles of an exhaust gas turbocharger can not be displayed optimally. Due to a possible risk of cracking, especially in the area of a so - called tongue of the
  • the partition wall is formed relatively wide, in particular in the region of a projecting to the turbine wheel partition wall tip, with a nearly flow-tight separation of the two spiral channels is not realized.
  • Exhaust guiding section and can be produced from sheet metal. This means that, on the one hand, other production methods, for example deep-drawing and other materials can be used, which make it possible to produce a very thin partition wall or at least a partial region of the partition wall which faces the turbine wheel.
  • the at least one partition wall is formed projecting from an outer circumferential surface of the heat shield. The projecting from the outer shell of the heat shield partition allows separation of the positioned in the exhaust duct section spiral channels, the function of the heat insulation of the heat shield is not affected.
  • the heat shield is designed like a hollow truncated cone.
  • Heat shield allows a space-optimized design of the heat shield, so that, for example, a part of the bearing portion, which faces the exhaust gas guide portion, is encompassed by the heat shield for optimized thermal insulation.
  • the heat shield is in two parts, a first heat shield part and a second heat shield part having formed, wherein the first heat shield part can be positioned on the second heat shield part.
  • the heat shield is formed in two parts, it is possible to form the individual heat shield parts with very small wall thicknesses, whereby the advantage of a simple and fast production of the first heat shield part and the second heat shield part is made possible in, for example, a deep drawing process. Due to the fact that the two heat shield parts are to be positioned one behind the other as viewed in a longitudinal direction of the exhaust gas turbocharger, a sufficiently heat-insulating wall thickness of the heat shield can be achieved even with a very small wall thickness of the individual heat shield part.
  • a further advantage of the two-part design is an additionally increased insulation due to an insulating gap which can be formed between the first heat shield part and the second heat shield part. This means that with the help of the two-piece heat shield improved thermal insulation of the bearing section over the
  • the second heat shield part is formed having the at least one partition wall, wherein the first heat shield part has at least one opening, such that the partition wall can be stretched through this opening.
  • the opening formed complementary to a cross-sectional profile of the partition.
  • the first heat shield part and / or the second heat shield part are formed from sheet metal, so that a particularly cost-effective and thus economical production of the heat shield is realized.
  • the material sheet metal can be inexpensively, for example.
  • the second aspect of the invention relates to an exhaust gas turbocharger, which has a
  • flow-through exhaust guide section having a first spiral channel through which can flow and a second spiral channel through which can flow, wherein downstream of the first spiral channel and downstream of the second spiral channel a wheel chamber for receiving a turbine wheel rotatably supported in a bearing section is formed.
  • Bearing portion is positioned adjacent to the exhaust gas guide portion, wherein between the exhaust gas guide portion and the bearing portion in the region of
  • the heat shield is designed with the features according to one of claims 1 to 7.
  • the advantage of this exhaust gas turbocharger according to the invention is the fact that an efficiency of the exhaust gas turbocharger is substantially increased compared to an exhaust gas turbocharger, which has no heat shield with one of the features of claims 1 to 7. This is due to the fact that an overflow from one spiral channel in the other spiral channel is largely avoided and thus the exhaust gas guide section
  • flowing exhaust gas is selectively fed to the turbine.
  • Spiral channel and the second spiral channel each formed in sections over a circumference of the wheel chamber. This has for example at low loads and / or
  • Rotational speeds have the advantage that, even with small amounts of exhaust pressure on the
  • Turbine wheel is sufficiently high, so that high efficiency of the
  • Exhaust gas turbocharger can be achieved even with small amounts of exhaust gas.
  • the first spiral channel and the second spiral channel are formed extending over each 180 ° over the circumference of the wheel chamber, so that a symmetrical loading of the turbine wheel can be realized.
  • the partition is at least partially inclined parallel to a turbine wheel inlet edge of the turbine wheel, so that a further increase in efficiency of the exhaust gas turbocharger can be achieved.
  • the third aspect of the invention relates to a method of manufacturing a heat shield.
  • the heat shield can be cost-effectively produced in a first production step by means of a deep-drawing process, in a second production step by means of a cutting process, and in a third production step by means of a cutting process
  • Forming process In particular, the fact that a cost-effective, a thin wall thickness exhibiting sheet, which is easily deformable, can be used.
  • the heat shield is formed in two parts, have a first heat shield part and a second heat shield part, a joining method is to be used ideally for fixing the first heat shield part and the second heat shield part.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an exhaust gas guide section and a
  • Fig. 2 is a perspective view of a second heat shield part of
  • FIG. 3 is a perspective view of a first heat shield part of the
  • FIG. 5 shows a cross section of the exhaust gas guide section according to FIG. Fig. 1.
  • An inventive exhaust gas turbocharger 1 is in an exemplary
  • Embodiment of FIG. 1 formed.
  • the exhaust gas turbocharger 1 has a flow-through exhaust gas guide section 2, which in the operation of the
  • Exhaust gas turbocharger 1 of a fluid is usually traversed by exhaust gas.
  • the exhaust gas is generally, but not necessarily, a combustion product of an internal combustion engine, not shown.
  • the exhaust gas turbocharger 1 is a non-illustrated throughflow
  • the running gear 4 has a compressor wheel not shown in detail and a turbine wheel 5, which are rotatably connected to each other by means of a shaft 6.
  • the compressor is in a not shown compressor wheel of the air guide portion for sucking in the General fresh air arranged.
  • the turbine wheel 5 is rotatably received in a wheel chamber 7 of the exhaust gas guide section 2.
  • the turbine 5 is in the operation of the exhaust gas turbocharger 1 of the
  • Exhaust gas flowing portion 2 exhaust flowing and driven, wherein it can perform a rotational movement.
  • This rotational movement is transferable by means of the shaft 6 to the compressor wheel, which thus can simultaneously perform a rotational movement of the rotational movement of the turbine wheel 5.
  • the compressor wheel and its rotary motion fresh air is sucked in, which is compressed in the air guide section.
  • the exhaust gas guide section 2 has a first spiral channel 8 and a second one
  • a heat shield 10 is formed between the exhaust gas guide section 2 and the bearing section 3 for heat-insulating shielding of the bearing section 3.
  • the heat shield 10 is positioned in the region of the turbine wheel 5 at its Raget 1 1.
  • the heat shield 10 has a receiving opening 12 for receiving the shaft 6, such that no connection between the heat shield 10 and the shaft 6 is formed, so that the shaft 6 is freely rotatable without touching the heat shield 10.
  • the first spiral channel 8 and the second spiral channel 9 are each formed in sections over a circumference 13 of the wheel chamber 7.
  • the circumference 13 of the wheel chamber 7 has a first circumferential angle a1 with a value of 360 °, s. Fig. 5.
  • Sectional design of the first spiral channel 8 and the second spiral channel 9 means that the first spiral channel 8 and the second spiral channel 9 are not the wheel chamber 7 are formed fully comprehensive, but only over a certain
  • first spiral channel 8 and the second spiral channel 9 a second circumferential angle oc2 and a third
  • Circumferential angle formed a3 each having a value of 180 ° over the circumference 13 of the wheel chamber 7 extending.
  • the values of the second circumferential angle a2 and the third circumferential angle a3 can also have other values. These are dependent on a purpose of the exhaust gas turbocharger 1 and an internal combustion engine connected to the exhaust gas turbocharger 1, and can, for example, with the aid of
  • thermodynamic simulation calculations are determined.
  • the first spiral channel 8 and the second spiral channel 9 have a first spiral channel 14 and a second spiral channel 15, respectively, wherein in this embodiment the heat shield 10 is designed to be adjacent to its heat-insulating core
  • Partition wall 16 and a second partition 17 is designed to be realized, and the first partition wall 16 in the form of the first spiral channel 14 and the second partition wall 17 in the form of the second spiral channel 15 are formed.
  • the heat shield 10 is in the form of a hollow truncated cone, thus formed like a hollow truncated cone and has an outer circumferential surface 18.
  • the outer circumferential surface 18 is formed facing away from the bearing section 3.
  • Partition wall 17 are configured projecting from the outer circumferential surface 18 of the heat shield 10. In other words, this means that the first partition wall 16 and the second partition 17 are formed facing away from an axial extent of the heat shield 10 in the direction of its axis of symmetry 19 in its direction in the axial direction extension in the direction of an axis of symmetry 19 of the heat shield 10.
  • the heat shield 10 is in two parts, a first heat shield part 20 and a second one
  • the first heat shield part 20 and the second heat shield part 21 are likewise formed like a hollow truncated cone, wherein the receiving opening 12 is assigned to the second heat shield part 21.
  • Heat shield part 20 has in this embodiment, an insertion opening 32, the first diameter d1 is formed larger than a second diameter d2 of the receiving opening 12.
  • the first heat shield member 20, the turbine wheel 5 in the region of the Rades 11 comprising formed.
  • the first partition wall 16 and the second partition wall 17 are fixed to the second heat shield member 21.
  • the second heat shield member 21 is manufactured by means of a so-called deep-drawing process.
  • the first partition wall 16 and the second partition wall 17 are partly made of a second one by means of a cutting process
  • the cutting process may be a laser cutting process or, for example, a stamping process.
  • Fixing surface 23 is formed.
  • the first partition wall 6 and the second partition wall 17 are bent away from the outer circumferential surface 18 to the outside, i. the second heat shield part 21 we transformed, so that they are formed by the outer circumferential surface 18 projecting. This has the consequence that the second heat shield part 21 now, due to the outer bending of the first partition wall 16 and the second partition wall 17, a first passage opening 24 and a second
  • Passage opening 25 has.
  • the first partition wall 16 and the second partition wall 17 are at least partially inclined parallel to a turbine wheel inlet edge 31 of the turbine wheel 5.
  • the first heat shield part 20 is formed.
  • the first heat shield part 20 can be positioned on the second heat shield part 21, the first heat shield part 20 having a first opening 26 and a second opening 27 having formed.
  • the first opening 26 and the second opening 27 are formed complementary to a first cross-sectional profile 28 and a second cross-sectional profile 29 of the first partition 16 and the second partition 17, respectively, such that the first partition wall 16 through the first opening 26 and the second partition 17 are pushed through the second opening 27.
  • the first heat shield part 20 can likewise be produced by means of a deep-drawing process, wherein the first opening 26 and the second opening 27 can be introduced into the first heat shield part 20, for example by means of a stamping method. Likewise, the first opening 26 and the second opening 27 could also be introduced into the first heat shield part 20 by means of a laser cutting process, for example.
  • the heat shield 10 could be produced by means of a milling process.
  • the heat shield 10 could be produced as a one-piece component, so to speak "milled from solid"
  • Heat shield 10 according to the invention a powder metallurgical injection molding, that so called MIM, Metal Injection Molding, conceivable.
  • the first heat shield member 20 is positioned on the second heat shield member 21, wherein the first partition wall and the second partition wall are inserted through the first opening 26 and the second opening 27, and
  • a joining method for example a laser welding method.
  • the heat shield 10 has at its greatest extent, which of
  • Turbine 5 is positioned away from, a fixing ring 30, which is formed in one piece with the second heat shield member 21 in this embodiment. With the help of this fixing ring 30, it is possible to fix the heat shield 10 in a simple manner between the exhaust gas guide section 2 and the bearing section 3.
  • the heat shield 10 according to the invention is of course not limited to the embodiment according to this embodiment.
  • the heat shield 10 could be formed for three spiral channels, so that a total of three partitions would be positioned on the heat shield 10. That is, it is any number of partitions on
  • Heat shield 10 can be formed.
  • the circumferential angles which are assigned to a spiral channel, are not necessarily limited to values of 180 ° for two spiral channels or, for example, values of 120 ° for three spiral channels. This means that the values of the circumferential angles can be adapted to the corresponding application of the exhaust-gas turbocharger 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hitzeschild für einen Abgasturbolader, mit Hilfe dessen wenigstens ein durchströmbarer Abgasführungsabschnitt (2) des Abgasturboladers (1) und ein weiterer Abschnitt (3) des Abgasturboladers (1) wenigstens abschnittsweise wärmeisolierend abschirmbar sind, wobei der Abgasführungsabschnitt (2) mindestens einen durchströmbaren ersten Spiralkanal (8) und einen durchströmbaren zweiten Spiralkanal (9) aufweist. Erfindungsgemäß ist der Hitzeschild (10) den ersten Spiralkanal (8) und den zweiten Spiralkanal (9) wenigstens abschnittsweise mit Hilfe mindestens einer Trennwand (16; 17) trennbar ausgestaltet, wobei der Hitzeschild (10) aus Blech ausgebildet ist.

Description

Hitzeschild für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Hitzeschilds
Die Erfindung betrifft einen Hitzeschild für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und einen Abgasturbolader gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 8 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hitzeschilds gemäß des Patentanspruchs 13.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 005 013 A1 offenbart einen Abgasturbolader mit einem Hitzeschild, welcher zwischen einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers und einem Lagerabschnitt des Abgasturboladers positioniert ist. Der Abgasführungsabschnitt ist mehrflutig ausgebildet, das heißt, er weist mindestens einen durchströmbaren ersten Spiralkanal und einen durchströmbaren zweiten
Spiralkanal auf. Der Hitzeschild ist neben seiner Funktion als wärmeisolierendes
Abschirmmittel zur Zentrierung des Abgasführungsabschnitts mit dem Lagerabschnitt ausgebildet.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2009/068460 A1 geht ein hohlkegelstumpfförmiger Hitzeschild hervor, welcher an seiner Mantelfläche abschnittsweise abgestuft ausgebildet ist, derart, dass eine federnde Wirkung zusätzlich zur Funktion der wärmeisolierenden Abschirmung erzielbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Hitzeschild bereitzustellen, welcher neben seiner wärmeisolierenden Abschirmfunktion kostengünstig einen einen
verbesserten Wirkungsgrad aufweisenden Abgasturbolader realisieren lässt, sowie einen Abgasturbolader mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Hitzeschild für einen Abgasturbolader mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Abgasturbolader gemäß des Patentanspruchs 8 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hitzeschilds gemäß Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Der erste Aspekt der Erfindung betrifft einen Hitzeschild für einen Abgasturbolader, mit Hilfe dessen wenigstens ein durchströmbarer Abgasführungsabschnitt des
Abgasturboladers und ein weiterer Abschnitt des Abgasturboladers wenigstens
abschnittsweise wärmeisolierend abschirmbar sind. Der Abgasführungsabschnitt weist mindestens einen durchströmbaren ersten Spiralkanal und einen durchströmbaren zweiten Spiralkanal auf.
Erfindungsgemäß ist der Hitzeschild den ersten Spiralkanal und den zweiten Spiralkanal wenigstens abschnittsweise mit Hilfe mindestens einer Trennwand trennbar ausgestaltet, wobei der Hitzeschild ist aus Blech ausgebildet. Bei den beiden Spiralkanälen handelt es sich um Spiralkanäle, welche gegeneinander weitestgehend strömungsdicht abzudichten sind. Übliche Spiralkanäle weisen aufgrund der üblichen Herstellungsverfahren des Abgasführungsabschnitts Geometrien und Toleranzen des Abgasführungsabschnitts auf, welche Strömungseigenschaften eines die Spiralkanäle durchströmenden Fluids aus produktionstechnischen und wirtschaftlichen Gründen unterschiedliche
Anforderungsprofile eines Abgasturboladers nicht optimal abbilden lassen. Aufgrund einer möglichen Rissgefahr insbesondere im Bereich einer so genannten Zunge des
Spiralkanals durch thermische Belastung ist die Trennwand insbesondere im Bereich einer an das Turbinenrad heranragende Trennwandspitze relativ breit ausgebildet, wobei eine nahezu strömungsdichte Trennung der beiden Spiralkanäle nicht realisiert ist. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Abgasturboladers ist es allerdings
erforderlich, dass die Trennwand zur Vermeidung von Umströmungen aus dem einen Spiralkanal in den anderen bis an das Turbinenrad ragend, einen Rotationsspalt zwischen der Trennwandspitze und dem Turbinenrad einhaltend, auszubilden ist.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Hitzeschildes ist eine sehr dünne Trennwand
aufweisend eine dünne Trennwandspitze, welche sehr weit an das Turbinenrad
heranragend ausgebildet ist, realisierbar, da der Hitzeschild unabhängig vom
Abgasführungsabschnitt und aus Blech herstellbar ist. Das bedeutet, dass zum einen andere Herstellungsverfahren, beispielsweise Tiefziehen und andere Materialien einsetzbar sind, die es erlauben eine sehr dünne Trennwand oder zumindest einen Teilbereich der Trennwand, welcher dem Turbinenrad zugewandt ausgebildet ist, herzustellen. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes ist die mindestens eine Trennwand von einer Außenmantelfläche des Hitzeschildes abstehend ausgebildet. Die von dem Außenmantel des Hitzeschildes abstehende Trennwand ermöglicht dabei eine Abtrennung der im Abgasführungsabschnitt positionierten Spiralkanäle, wobei die Funktion der Wärmeisolierung des Hitzeschildes nicht beeinträchtigt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes ist der Hitzeschild hohlkegelstumpfartig ausgebildet. Die hohlkegelstumpfartige Ausbildung des
Hitzeschildes ermöglicht eine bauraumoptimierte Gestaltung des Hitzeschildes, so dass beispielsweise ein Teil des Lagerabschnitts, welcher dem Abgasführungsabschnitt zugewandt ist, vom Hitzeschild umfassbar ist zur optimierten Wärmeisolierung.
Idealerweise ist in einer weiteren Ausgestaltung der Hitzeschild zweiteilig, ein erstes Hitzeschildteil und ein zweites Hitzeschildteil aufweisend ausgebildet, wobei das erste Hitzeschildteil auf dem zweiten Hitzeschildteil positionierbar ist. Dadurch, dass der Hitzeschild zweiteilig ausgebildet ist, ist es möglich die einzelnen Hitzeschildteile mit sehr geringen Wandstärken auszubilden, wodurch der Vorteil einer einfachen und schnellen Herstellung des ersten Hitzeschildteils und des zweiten Hitzeschildteils in beispielsweise einem Tiefziehverfahren ermöglicht ist. Dadurch, dass die beiden Hitzeschildteile in einer Längsrichtung des Abgasturboladers betrachtet hintereinander zu positionieren sind, ist auch bei einer sehr geringen Wandstärke des einzelnen Hitzeschildteils insgesamt eine ausreichend wärmeisolierende Wandstärke des Hitzeschildes erzielbar.
Ein weiterer Vorteil der zweiteiligen Ausbildung ist eine zusätzlich gesteigerte Isolierung aufgrund eines zwischen dem ersten Hitzeschildteil und dem zweiten Hitzeschildteil ausbildbaren Isolierspaltes. Das bedeutet, dass mit Hilfe des zweiteiligen Hitzeschildes eine verbesserte Wärmeisolierung des Lagerabschnitts gegenüber dem
Abgasführungsabschnitt erreichbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes ist das zweite Hitzeschildteil die mindestens eine Trennwand aufweisend ausgebildet, wobei das erste Hitzeschildteil mindestens eine Öffnung aufweist, derart, dass die Trennwand durch diese Öffnung hindurchstreckbar ist. Somit ist eine gesicherte Positionierung des ersten Hitzeschildteils auf dem zweiten Hitzeschildteil realisiert. Vorteilhafterweise ist zur Vermeidung einer Leckage von die Spiralkanäle
durchströmendem Abgas aus dem Abgasführungsabschnitt in den Lagerabschnitt die Öffnung komplementär zu einem Querschnittsprofil der Trennwand ausgebildet.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschilds sind der erste Hitzeschildteil und/oder der zweite Hitzeschildteil aus Blech ausgebildet, so dass eine besonders kostengünstige und somit wirtschaftliche Herstellung des Hitzeschilds realisiert ist. Mit Hilfe des Materials Blech lässt sich auf kostengünstige Weise, bspw. in einem
Tiefziehverfahren, der Hitzeschild herstellen. Vorteile dieser Ausgestaltung sind somit in der Wahl eines kostengünstigen Materials sowie in einer Einsatzmöglichkeit eines kostengünstigen Herstellungsverfahrens zu sehen.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, welcher einen
durchströmbaren Abgasführungsabschnitt mit einem durchströmbaren ersten Spiralkanal und einem durchströmbaren zweiten Spiralkanal aufweist, wobei stromab des ersten Spiralkanals und stromab des zweiten Spiralkanals eine Radkammer zur Aufnahme eines in einem Lagerabschnitt drehbar lagerbaren Turbinenrades ausgebildet ist. Der
Lagerabschnitt ist an den Abgasführungsabschnitt angrenzend positioniert, wobei zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Lagerabschnitt im Bereich der
Radkammer ein Hitzeschild positionierbar ist. Erfindungsgemäß ist der Hitzeschild mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet. Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist darin zu sehen, dass ein Wirkungsgrad des Abgasturboladers wesentlich gesteigert ist gegenüber einem Abgasturbolader, welcher kein Hitzeschild mit einem der Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 aufweist. Dies liegt darin begründet, dass ein Überströmen von einem Spiralkanal in den anderen Spiralkanal weitestgehend vermieden wird und somit eine den Abgasführungsabschnitt
durchströmende Abgasmenge gezielt dem Turbinenrad zuführbar ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind der erste
Spiralkanal und der zweite Spiralkanal jeweils abschnittsweise über einen Umfang der Radkammer ausgebildet. Dies hat beispielsweise bei geringen Lasten und/oder
Drehzahlen den Vorteil, dass, auch bei geringen Abgasmengen ein Druck an dem
Turbinenrad ausreichend hoch ist, so dass ein hoher Wirkungsgrad des
Abgasturboladers auch bei geringen Abgasmengen erzielbar ist. Idealerweise sind der erste Spiralkanal und der zweite Spiralkanal sich über jeweils 180° über den Umfang der Radkammer erstreckend ausgebildet, so dass eine symmetrische Beaufschlagung des Turbinenrades realisierbar ist.
In üblichen Herstellungsverfahren des Abgasführungsabschnitts sind so genannte Spiralkanalzungen, welche eine Einmündung des Spiralkanals in die Radkammer beschreiben, in ihrer zwischenzeitlich benötigten filigranen Ausbildung sehr schwer und/oder sehr aufwendig und somit teuer zu realisieren. Dies bedeutet, dass die in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers als erste
Spiralkanalzunge und/oder als zweite Spiralkanalzunge ausgebildete Trennwand einen erheblichen finanziellen Vorteil bietet auf einfache und günstige Weise einen
wirkungsgradgesteigerten Abgasturbolader zu realisieren.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Trennwand zumindest teilweise parallel zu einer Turbinenradeintrittskante des Turbinenrades geneigt ausgebildet, so dass eine weitere Wirkungsgradsteigerung des Abgasturboladers erzielbar ist.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Hitzeschilds. Besonderes kostengünstig lässt sich der Hitzeschild in einem ersten Herstellungsschritt mit Hilfe eines Tiefziehverfahrens, in einem zweiten Herstellungsschritt mit Hilfe eines Schneidverfahrens und in einem dritten Herstellungsschritt mit Hilfe eines
Umformverfahren herstellen. Insbesondere auch dadurch, dass ein kostengünstiges, eine dünne Wandstärke aufweisendes Blech, welches leicht umformbar ist, eingesetzt werden kann.
Sofern der Hitzeschild zweiteilig ausgebildet ist, ein erste Hitzeschildteil und ein zweites Hitzeschildteil aufweisen, ist zur Fixierung des ersten Hitzeschildteils und des zweiten Hitzeschildteils ein Fügeverfahren idealerweise einzusetzen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Abgasführungsabschnitts und eines
Lagerabschnitts eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäßen Hitzeschild;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Hitzeschildteils des
erfindungsgemäßen Hitzeschildes;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Hitzeschildteils des
erfindungsgemäßen Hitzeschildes;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Hitzeschildes; und
Fig. 5 einen Querschnitt des Abgasführungsabschnitts gem. Fig. 1.
Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ist in einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgebildet. Der Abgasturbolader 1 weist einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 2 auf, welcher im Betrieb des
Abgasturboladers 1 von einem Fluid, in der Regel von Abgas durchströmt wird. Das Abgas ist im Allgemeinen, aber nicht zwangsweise, ein Verbrennungsprodukt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine.
Dem Abgasturbolader 1 ist ein nicht näher dargestellter durchströmbarer
Luftführungsabschnitt sowie ein zwischen dem Abgasführungsabschnitt 2 und dem Luftführungsabschnitt positionierter Lagerabschnitt 3 zugeordnet, wobei im
Lagerabschnitt 3 ein Laufzeug 4 drehbar aufgenommen ist. Das Laufzeug 4 weist ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad und ein Turbinenrad 5 auf, welche miteinander mit Hilfe einer Welle 6 drehfest verbunden sind. Das Verdichterrad ist in einer nicht näher dargestellten Verdichterradkammer des Luftführungsabschnitts zum Ansaugen von im Allgemeinen Frischluft angeordnet. Das Turbinenrad 5 ist in einer Radkammer 7 des Abgasführungsabschnitts 2 drehbar aufgenommen.
Das Turbinenrad 5 wird im Betrieb des Abgasturboladers 1 von dem den
Abgasführungsabschnitt 2 durchströmenden Abgas beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle 6 auf das Verdichterrad übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads 5 eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
Der Abgasführungsabschnitt 2 weist einen ersten Spiralkanal 8 und einen zweiten
Spiralkanal 9 auf. Aufgrund der hohen Temperaturen des den Abgasführungsabschnitt 2 durchströmenden Abgases ist zur wärmeisolierenden Abschirmung des Lagerabschnitts 3 ein Hitzeschild 10 zwischen dem Abgasführungsabschnitt 2 und dem Lagerabschnitt 3 ausgebildet. Der Hitzeschild 10 ist im Bereich des Turbinenrades 5 an dessen Radrücken 1 1 positioniert.
Der Hitzeschild 10 weist eine Aufnahmeöffnung 12 zur Aufnahme der Welle 6 auf, derart, dass keine Verbindung zwischen dem Hitzeschild 10 und der Welle 6 ausgebildet ist, so dass die Welle 6 ohne Berührung des Hitzeschildes 10 frei drehbar ist.
Der erste Spiralkanal 8 und der zweite Spiralkanal 9 sind jeweils abschnittsweise über einen Umfang 13 der Radkammer 7 ausgebildet. Der Umfang 13 der Radkammer 7 weist einen ersten Umfangswinkel a1 mit einem Wert von 360° auf, s. Fig. 5. Die
abschnittsweise Ausbildung des ersten Spiralkanals 8 bzw. des zweiten Spiralkanals 9 bedeutet, dass der erste Spiralkanal 8 bzw. der zweite Spiralkanal 9 nicht die Radkammer 7 vollumfänglich umfassend ausgebildet sind, sondern nur über einen bestimmten
Bereich des Umfangs 13. In diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Spiralkanal 8 und der zweite Spiralkanal 9 einen zweiten Umfangswinkel oc2 bzw. einen dritten
Umfangswinkel a3 mit jeweils einem Wert von 180° über den Umfang 13 der Radkammer 7 erstreckend ausgebildet. Ebenso können die Werte des zweiten Umfangswinkels a2 und des dritten Umfangswinkels a3 auch andere Werte aufweisen. Diese sind abhängig von einem Einsatzzweck des Abgasturboladers 1 und einer mit dem Abgasturbolader 1 verbundenen Brennkraftmaschine, und können mit Hilfe von beispielweise
thermodynamischen Simulationsberechnungen ermittelt werden. Der erste Spiralkanal 8 und der zweite Spiralkanal 9 weisen eine erste Spiralkanalzunge 14 bzw. eine zweite Spiralkanalzunge 15 auf, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Hitzeschild 10 so ausgebildet ist, dass er neben seiner wärmeisolierenden
Abschirmwirkung des Lagerabschnitts 3 vom Abgasführungsabschnitt 2 eine Trennung des ersten Spiralkanals 8 und des zweiten Spiralkanals 9 mit Hilfe einer ersten
Trennwand 16 und einer zweiten Trennwand 17 realisierbar ausgebildet ist, und die erste Trennwand 16 in Form der ersten Spiralkanalzunge 14 bzw. die zweite Trennwand 17 in Form der zweiten Spiralkanalzunge 15 ausgebildet sind.
Der Hitzeschild 10 ist in Form eines hohlen Kegelstumpfes, somit hohlkegelstumpfartig ausgebildet und weist eine Außenmantelfläche 18 auf. Die Außenmantelfläche 18 ist vom Lagerabschnitt 3 abgewandt ausgebildet. Die erste Trennwand 16 und die zweite
Trennwand 17 sind von der Außenmantelfläche 18 des Hitzeschildes 10 abstehend ausgestaltet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die erste Trennwand 16 und die zweite Trennwand 17 in ihrer sich in axialer Richtung ausgebildeten Erstreckung in Richtung einer Symmetrieachse 19 des Hitzeschildes 10 von einer axialen Erstreckung des Hitzeschildes 10 in Richtung seiner Symmetrieachse 19 abgewandt ausgebildet sind.
Der Hitzeschild 10 ist zweiteilig, ein erstes Hitzeschildteil 20 und ein zweites
Hitzeschildteil 21 aufweisend ausgebildet, wobei das erste Hitzeschildteil 20 auf dem zweiten Hitzeschildteil 21 positionierbar ist, s. Fig. 2 bis 4. Das erste Hitzeschildteil 20 und das zweite Hitzeschildteil 21 sind ebenfalls hohlkegelstumpfartig ausgebildet, wobei die Aufnahmeöffnung 12 dem zweiten Hitzeschildteil 21 zugeordnet ist. Das erste
Hitzeschildteil 20 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Durchstecköffnung 32 auf, deren erster Durchmesser d1 größer ausgebildet ist als ein zweiter Durchmesser d2 der Aufnahmeöffnung 12. Beispielsweise ist das erste Hitzeschildteil 20 das Turbinenrad 5 im Bereich des Radrückens 11 umfassend ausgebildet.
Die erste Trennwand 16 und die zweite Trennwand 17 sind am zweiten Hitzeschildteil 21 fixiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Hitzeschildteil 21 mit Hilfe eines so genannten Tiefzieh-Verfahrens hergestellt. Die erste Trennwand 16 und die zweite Trennwand 17 sind mit Hilfe eines Schneidverfahrens teilweise aus dem zweiten
Hitzeschildteil 21 ausgeschnitten. Das Schneidverfahren kann ein Laserschneidverfahren sein oder beispielsweise auch ein Stanzverfahren.
Zur Fixierung der ersten Trennwand 16 und der zweiten Trennwand 17 am zweiten Hitzeschildteil 21 ist zwischen dem zweiten Hitzeschildteil 21 und der ersten Trennwand 16 bzw. der zweiten Trennwand 17 eine erste Fixierfläche 22 bzw. eine zweite
Fixierfläche 23 ausgebildet. Zur Fertigstellung des zweiten Hitzeschildteils 21 werden die erste Trennwand 6 und die zweite Trennwand 17 von der Außenmantelfläche 18 nach außen abgewandt gebogen, d.h. das zweite Hitzeschildteil 21 wir umgeformt, derart, dass sie von der Außenmantelfläche 18 abstehend ausgebildet sind. Dies hat zur Folge, dass das zweite Hitzeschildteil 21 nun, aufgrund der Außenbiegung der ersten Trennwand 16 und der zweiten Trennwand 17, eine erste Durchtrittsöffnung 24 und eine zweite
Durchtrittsöffnung 25 aufweist.
Die erste Trennwand 16 und die zweite Trennwand 17 sind zumindest teilweise parallel zu einer Turbinenradeintrittskante 31 des Turbinenrades 5 geneigt ausgebildet.
Zur Abdeckung der ersten Durchtrittsöffnung 24 und der zweiten Durchtrittsöffnung 25 ist das erste Hitzeschildteil 20 ausgebildet. Das erste Hitzeschildteil 20 ist auf das zweite Hitzeschildteil 21 positionierbar, wobei das erste Hitzeschildteil 20 eine erste Öffnung 26 und eine zweite Öffnung 27 aufweisend ausgebildet ist.
Die erste Öffnung 26 und die zweite Öffnung 27 sind komplementär zu einem ersten Querschnittsprofil 28 bzw. einem zweiten Querschnittsprofil 29 der ersten Trennwand 16 bzw. der zweiten Trennwand 17 ausgebildet, derart, dass die erste Trennwand 16 durch die erste Öffnung 26 und die zweite Trennwand 17 durch die zweite Öffnung 27 durchsteckbar sind.
Das erste Hitzeschildteil 20 ist ebenfalls mit Hilfe eines Tiefziehverfahrens herstellbar, wobei die erste Öffnung 26 und die zweite Öffnung 27 beispielsweise mit Hilfe eines Stanzverfahrens in das erste Hitzeschildteil 20 eingebracht werden können. Ebenso könnten die erste Öffnung 26 und die zweite Öffnung 27 auch beispielsweise mit Hilfe eines Laserschneidverfahrens in das erste Hitzeschildteil 20 eingebracht werden.
Ebenso möglich wäre es auch den Hitzeschild 10 mit Hilfe eines Fräsverfahrens herzustellen. Dabei könnte der Hitzeschild 10 als einteiliges Bauteil, so zu sagen„aus dem Vollen gefräst" hergestellt werden. Auch ist als Herstellungsverfahren des
erfindungsgemäßen Hitzeschilds 10 ein pulvermetallurgisches Spritzgießen, dass so genannte MIM, Metal Injection Moulding, denkbar.
Zur Fertigstellung des Hitzeschilds 10 wird das erste Hitzeschildteil 20 auf dem zweiten Hitzeschildteil 21 positioniert, wobei die erste Trennwand und die zweite Trennwand durch die erste Öffnung 26 bzw. die zweite Öffnung 27 gesteckt werden, und
anschließend mit einem Fügeverfahren, beispielsweise einem Laserschweiß- Verfahren miteinander zumindest punktuell verbunden.
Idealerweise weist der Hitzeschild 10 an seinem größten Umfang, welcher vom
Turbinenrad 5 abgewandt positioniert ist, einen Fixierungsring 30 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einteilig mit dem zweiten Hitzeschildteil 21 ausgebildet ist. Mit Hilfe dieses Fixierungsrings 30 besteht die Möglichkeit den Hitzeschild 10 auf einfache Weise zwischen dem Abgasführungsabschnitt 2 und dem Lagerabschnitt 3 zu fixieren.
Der erfindungsgemäße Hitzeschild 10 ist selbstredend nicht auf Ausführung gemäß dieses Ausführungsbeispiels beschränkt. Ebenso könnte der Hitzeschild 10 für drei Spiralkanäle ausgebildet sein, so dass insgesamt drei Trennwände am Hitzeschild 10 positioniert wären. Das heißt, es ist eine beliebige Anzahl an Trennwänden am
Hitzeschild 10 ausbildbar.
Ebenso sind auch die Umfangswinkel, welche einem Spiralkanal zuzuordnen sind, nicht zwangsläufig auf werte von 180° bei zwei Spiralkanälen oder bspw. Werte von 120° bei drei Spiralkanälen begrenzt. Das heißt, dass die Werte der Umfangswinkel dem entsprechenden Anwendungsfall des Abgasturboladers 1 anpassbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschild für einen Abgasturbolader, mit Hilfe dessen wenigstens ein
durchströmbarer Abgasführungsabschnitt (2) des Abgasturboladers (1 ) und ein weiterer Abschnitt (3) des Abgasturboladers (1 ) wenigstens abschnittsweise wärmeisolierend abschirmbar sind, wobei der Abgasführungsabschnitt (2) mindestens einen durchströmbaren ersten Spiralkanal (8) und einen
durchströmbaren zweiten Spiralkanal (9) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hitzeschild (10) den ersten Spiralkanal (8) und den zweiten Spiralkanal (9) wenigstens abschnittsweise mit Hilfe mindestens einer Trennwand (16; 17) trennbar ausgestaltet ist, wobei der Hitzeschild (10) aus Blech ausgebildet ist.
2. Hitzeschild nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Trennwand (16; 17) von einer Außenmantelfläche (18) des Hitzeschildes (10) abstehend ausgebildet ist.
3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hitzeschild (10) hohlkegelstumpfartig ausgebildet ist.
4. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hitzeschild (10) zweiteilig, ein erstes Hitzeschildteil (20) und ein zweites
Hitzeschildteil (21 ) aufweisend ausgebildet ist, wobei das erste Hitzeschildteil (20) auf dem zweiten Hitzeschildteil (21 ) positionierbar ist.
5. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Hitzeschildteil (21 ) die mindestens eine Trennwand (16; 17) aufweisend ausgebildet ist, wobei das erste Hitzeschildteil (20) mindestens eine Öffnung (26; 27) aufweist, derart, dass die Trennwand (16; 17) durch diese Öffnung (26; 27) hindurchstreckbar ist.
6. Hitzeschild nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung (26; 27) komplementär zu einem Querschnittsprofil (28; 29) der Trennwand (16; 17) ausgebildet ist.
7. Hitzeschild nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Hitzeschildteil (20) und/oder der zweite Hitzeschildteil (21 ) jeweils aus Blech ausgebildet ist.
8. Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt (2) mit einem durchströmbaren ersten Spiralkanal (8) und einem durchströmbaren zweiten Spiralkanal (9), wobei stromab des ersten Spiralkanals (8) und stromab des zweiten Spiralkanals (9) eine Radkammer (7) zur Aufnahme eines in einem
Lagerabschnitt (3) drehbar lagerbaren Turbinenrades (5) ausgebildet ist, und mit dem Lagerabschnitt (3), welcher an den Abgasführungsabschnitt (2) angrenzend ausgebildet ist, wobei zwischen dem Abgasführungsabschnitt (2) und dem
Lagerabschnitt (3) im Bereich der Radkammer (7) ein Hitzeschild (10) positionierbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hitzeschild (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Abgasturbolader nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Spiralkanal (8) und der zweite Spiralkanal (9) jeweils abschnittsweise über einen Umfang (13) der Radkammer (7) ausgebildet sind.
10. Abgasturbolader nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Spiralkanal (8) und der zweite Spiralkanal (9) sich über jeweils 180° über den Umfang (13) der Radkammer (7) erstreckend ausgebildet sind.
11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trennwand (16; 17) als erste Spiralkanalzunge (14) und/oder als zweite Spiralkanalzunge (15) ausgebildet ist.
12. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trennwand (16; 17) zumindest teilweise parallel zu einer
Turbinenradeintrittskante (31 ) des Turbinenrades (5) geneigt ausgebildet ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Hitzeschildes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hitzeschild (10)
in einem ersten Herstellungsschritt mit Hilfe eines Tiefziehverfahrens,
in einem zweiten Herstellungsschritt mit Hilfe eines Schneidverfahrens und in einem dritten Herstellungsschritt mit Hilfe eines Umformverfahrens
hergestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Fixierung eines ersten Hitzeschildteils (20) des Hitzeschilds (10) und eines zweiten Hitzeschildteils (21 ) des Hitzeschilds ( 0) ein Fügeverfahren eingesetzt wird.
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