DE102012219355A1 - Vane arrangement for exhaust gas turbocharger of motor car, has guide vanes arranged between cover disk and blade ring, where cover disk is made of ceramic material having high heat conductivity - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel-Anordnung, insbesondere für einen Abgasturbolader, sowie einen Abgasturbolader mit einer solchen Leitschaufel-Anordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgasturbolader.The present invention relates to a guide vane arrangement, in particular for an exhaust gas turbocharger, and to an exhaust gas turbocharger with such a vane arrangement. The invention further relates to a motor vehicle with such an exhaust gas turbocharger.
Bekanntlich bestehen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen aus zwei Strömungsmaschinen: Zum einen aus einer Turbine, zum anderen aus einem Verdichter. Die Turbine nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters, welcher Frischluft ansaugt und verdichtete Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine einbringt. Wegen des üblicherweise sehr hohen Drehzahlbereichs der Brennkraftmaschine ist eine Regelung des Abgasturboladers erforderlich, so dass ein möglichst konstanter Ladedruck in einem möglichst großen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann. Hierfür sind Lösungen bekannt, gemäß welchen ein Teil des Abgasstroms mittels eines Bypass-Kanals um die Turbinen herumgeführt wird. Eine energetisch günstigere Lösung ermöglicht aber die sogenannte variable Turbinengeometrie, bei der das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit jeweils das gesamte Abgas genutzt werden kann. Eine solche variable Turbinengeometrie ist in herkömmlicher Weise mittels verstellbarer Leitschaufeln realisiert, mittels welcher der gewünschte, durch einen Abgasturbolader strömende Abgasstrom variabel eingestellt werden kann. As is known, exhaust gas turbochargers for internal combustion engines consist of two turbomachines: on the one hand from a turbine, on the other hand from a compressor. The turbine uses the energy contained in the exhaust gas to drive the compressor, which sucks in fresh air and introduces compressed air into the cylinders of the internal combustion engine. Because of the usually very high speed range of the internal combustion engine, a regulation of the exhaust gas turbocharger is required, so that as constant as possible boost pressure can be ensured in the largest possible speed range of the internal combustion engine. For this purpose, solutions are known, according to which a part of the exhaust gas flow is guided around the turbines by means of a bypass channel. However, an energetically more favorable solution allows the so-called variable turbine geometry, in which the Aufstauverhalten the turbine continuously changed and thus each of the entire exhaust gas can be used. Such a variable turbine geometry is realized in a conventional manner by means of adjustable guide vanes, by means of which the desired, flowing through an exhaust gas turbocharger exhaust stream can be variably adjusted.
Zum Verstellen der Leitschaufeln sind verschiedene Verstellmechanismen bekannt. Die Leitschaufeln sind üblicherweise über einen jeweiligen Schaufellagerzapfen an einem Leitschaufelträgerring gelagert. Beabstandet zum Leitschaufelträgerring ist eine Deckscheibe angeordnet, so dass die Leitschaufeln zwischen dieser Deckscheibe und dem Leitschaufelträgerring angeordnet sind. Die Deckscheibe kann aus einem Keramik-Material hergestellt sein.For adjusting the vanes different adjustment mechanisms are known. The vanes are usually mounted on a vane support ring via a respective vane journal. Spaced to the vane support ring, a cover plate is disposed so that the vanes are disposed between this cover plate and the vane support ring. The cover plate may be made of a ceramic material.
Die
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Leitschaufel-Anordnung anzugeben. It is an object of the present invention to provide an improved embodiment for a vane assembly.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die Deckscheibe der Leitschaufel-Anordnung ein Keramik-Material zu verwenden, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise kann in der Leitschaufel-Anordnung auftretende Wärme schnell und effektiv abgeführt werden, so dass die Temperaturbelastung eines Turbinengehäuses, in welchem die erfindungsgemäße Leitschaufel-Anordnung zum Einsatz kommen kann, deutlich verringert werden kann. The invention is based on the general idea to use for the cover plate of the vane arrangement, a ceramic material which has a high thermal conductivity. In this way, heat occurring in the vane arrangement can be dissipated quickly and effectively, so that the temperature load of a turbine housing, in which the vane arrangement according to the invention can be used, can be significantly reduced.
Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind weitgehend aus anorganischen, feinkörnigen Rohstoffen unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformte und danach getrocknete Gegenstände, die in einem anschließenden Brennprozess oberhalb 900°C zu harten, dauerhaften Gegenständen gesintert werden. Keramische Werkstoffe können eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wodurch sie für den erfindungsgemäßen Einsatz einer Deckscheibe einer Leitschaufel-Anordnung eines Abgasturboladers besonders prädestiniert sind. Zudem sind keramische Werkstoffe auch in der Lage, hohe Temperaturen, wie sie in einem solchen Abgasturbolader auftreten, über lange Zeiträume zu ertragen. Keramische Werkstoffe bzw. Beschichtungen lassen sich kostengünstig und in nahezu beliebiger Ausführungsform herstellen, wodurch eine wirtschaftliche Verwendung im industriellen Einsatz möglich ist. Ceramics with high thermal conductivity are largely made of inorganic, fine-grained raw materials with addition of water at room temperature molded and then dried objects, which are sintered in a subsequent firing above 900 ° C to hard, durable objects. Ceramic materials may have a very high thermal conductivity, whereby they are particularly predestined for the inventive use of a cover plate of a vane arrangement of an exhaust gas turbocharger. In addition, ceramic materials are also able to withstand high temperatures, such as occur in such an exhaust gas turbocharger, over long periods of time. Ceramic materials or coatings can be produced inexpensively and in almost any desired embodiment, whereby an economical use in industrial applications is possible.
Insbesondere kann durch Verwendung von Keramik-Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine thermisch bedingte Ausdehnung einzelner Bauelemente der Leitschaufel-Anordnung bzw. des die Leitschaufel-Anordnung verwendenden Abgasturboladers vermieden werden. Dies wiederum erlaubt eine Verkleinerung einer Spaltweite zwischen den Leitschaufeln und der Deckscheibe, da durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Deckscheibe mit hoher Wärmeleitfähigkeit sichergestellt ist, dass eine wärmebedingte, unerwünschte thermische Expansion der Leitschaufeln vermieden wird, so dass keine thermisch bedingten Reibungseffekte zwischen den Leitschaufeln und der Deckscheibe (bis hin zu einem Verklemmen der Leitschaufeln) auftreten können. In particular, by using ceramic materials with high thermal conductivity, a thermally induced expansion of individual components of the vane arrangement or of the exhaust gas turbocharger using the vane arrangement can be avoided. This in turn allows a reduction of a gap width between the guide vanes and the cover plate, since it is ensured by the inventive use of a cover plate with high thermal conductivity that a heat-related, unwanted thermal expansion of the vanes is avoided, so that no thermally induced friction effects between the vanes and the Cover disc (up to a jamming of the vanes) may occur.
Da die erfindungsgemäße Deckscheibe also eine minimale Spaltweite zwischen den Leitschaufeln und der Deckscheibe ermöglicht, kann eine den Wirkungsgrad der Leitschaufel-Anordnung bzw. des diese Leitschaufel-Anordnung den verwendenden Abgasturboladers herabsetzende Bypass-Strömung durch einen solchen Spalt reduziert oder gar vollständig beseitigt werden, was den Wirkungsgrad der Leitschaufel-Anordnung bzw. des Abgasturboladers deutlich verbessert. Since the cover plate according to the invention thus enables a minimum gap width between the guide vanes and the cover plate, a bypass flow which reduces the efficiency of the guide vanes arrangement or the exhaust gas turbocharger using this guide vanes arrangement can be reduced or even completely eliminated by such a gap significantly improves the efficiency of the guide vane assembly and the exhaust gas turbocharger.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann das Keramik-Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 120 W/mK aufweisen. Durch Verwendung eines Keramik-Materials mit einer derart hohen Wärmeleitfähigkeit kann (Ab-)Wärme besonders gut aus der Leitschaufel-Anordnung abgeführt werden. In an advantageous development of the solution according to the invention, the ceramic material may have a thermal conductivity of at least 120 W / mK. By using a ceramic material with such a high thermal conductivity (Ab-) heat can be removed particularly well from the vane arrangement.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Keramik-Material Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid sein. Siliziumcarbid ist eine zur Gruppe der Carbide gehörende chemische Keramik-Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Da Siliziumcarbid eine hohe mechanische Härte aufweist und zum anderen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (reines Siliziumcarbid: ca. 350 W/mK, technisches Siliziumcarbid: bis 140 W/mK) aufweist, ist es als Keramik-Material für die Deckscheibe der erfindungsgemäßen Leitschaufel-Anordnung besonders gut geeignet. In a particularly preferred embodiment, the ceramic material may be silicon nitride or silicon carbide. Silicon carbide is a group of carbides belonging to the chemical ceramic compound of silicon and carbon. Since silicon carbide has a high mechanical hardness and on the other hand a very high thermal conductivity (pure silicon carbide: about 350 W / mK, silicon carbide technical: up to 140 W / mK), it is as a ceramic material for the cover plate of the guide vane assembly according to the invention especially suitable.
Ähnliches gilt für Siliziumnitrid, welches sich neben seiner hohen Festigkeit auch durch einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen kleinen Elastizitätsmodul auszeichnet. Keramiken aus Siliziumnitrid können bei Temperaturen bis zu etwa 1300°C zum Einsatz kommen und sind daher für den Einsatz in Abgasturboladern besonders gut geeignet. The same applies to silicon nitride, which, in addition to its high strength, is characterized by a very low thermal expansion coefficient and a small modulus of elasticity. Ceramics made of silicon nitride can be used at temperatures up to about 1300 ° C and are therefore particularly well suited for use in exhaust gas turbochargers.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann der Leitschaufelträgerring oder/und die Leitschaufeln oder/und die Schaufellagerzapfen aus einem Metall hergestellt sein, welches eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Wärmeleitfähigkeit des Keramik-Materials. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Deckscheibe aus dem Keramik-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit den weiteren Bauteilen der Leitschaufel-Anordnung wie z.B. dem Leitschaufelträgerring, den Leitschaufeln und dem Schaufellagerzapfen kombiniert werden, die üblicherweise aus einem Metall hergestellt sind. In a further embodiment, the vane support ring and / or the vanes and / or the vane trunnions may be made of a metal having a lower thermal conductivity than the thermal conductivity of the ceramic material. In this way, the cover plate according to the invention can be made of the ceramic material with high thermal conductivity with the other components of the vane arrangement such. the vane support ring, the vanes and the vane journal, which are usually made of a metal combined.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Metall eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 20 W/mK aufweisen. In Kombination mit einer Deckscheibe aus dem Keramik-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welche üblicherweise mindestens 120 W/mK aufweist, kann Wärme aus der Leitschaufel-Anordnung und dem diese Leitschaufel-Anordnung verwendenden Turbinengehäuse eines Abgasturboladers besonders effektiv abgeführt werden.In a particularly preferred embodiment, the metal may have a thermal conductivity of at most 20 W / mK. In combination with a cover plate of the ceramic material with high thermal conductivity, which usually has at least 120 W / mK, heat from the vane arrangement and the turbine housing of an exhaust gas turbocharger using this guide vane arrangement can be dissipated particularly effectively.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Metall ein Stahl sein.In a particularly preferred embodiment, the metal may be a steel.
Um einen besonders effektiven Wärmetransport durch die Deckscheibe der Leitschaufel-Anordnung sicherzustellen, kann diese in einer weiteren Ausführungsform vollständig aus dem Keramik-Material ausgebildet sein.In order to ensure a particularly effective heat transfer through the cover plate of the vane arrangement, this can be formed entirely from the ceramic material in a further embodiment.
In einer dazu alternativen oder weiterbildenden Ausführungsform kann die Deckscheibe aber auch eine Deckschicht aus dem Keramik-Material umfassen. Dies bedeutet, dass die eigentliche Deckscheibe nicht aus dem erfindungsgemäßen Keramik-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein muss. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der Deckscheibe, welche beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Stahl, hergestellt sein kann, so dass das Materialsystem der Deckscheibe und das der verbleibenden Bauteile der Leitschaufel-Anordnung (Leitschaufelträgerring etc.) identisch sein kann. Ein Vorteil einer derartigen Ausbildung der Deckscheibe besteht darin, dass dann alle wesentlichen Bauteile der Leitschaufel-Anordnung aus demselben Materialsystem aufgebaut sind und somit auch einen im Wesentlichen identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. In an alternative or further embodiment, the cover plate may also comprise a cover layer of the ceramic material. This means that the actual cover plate does not have to be formed from the ceramic material according to the invention with high thermal conductivity. This allows a particularly cost-effective production of the cover plate, which may be made of a metal, in particular steel, for example, so that the material system of the cover plate and the remaining components of the vane assembly (vane support ring, etc.) may be identical. An advantage of such a design of the cover plate is that then all the essential components of the guide vane assembly are constructed from the same material system and thus also have a substantially identical thermal expansion coefficient.
Um einen mechanisch stabilen Aufbau der Leitschaufel-Anordnung, insbesondere bei der Verwendung in einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers, sicherzustellen, kann die Leitschaufel-Anordnung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zumindest ein Abstandselement aufweisen, das koaxial zum Schaufellagerzapfen angeordnet ist und den Leitschaufelträgerring auf Abstand zur Deckscheibe hält.In order to ensure a mechanically stable structure of the vane arrangement, in particular when used in a turbine housing of an exhaust gas turbocharger, in a particularly preferred embodiment the vane arrangement can have at least one spacer which is arranged coaxially with the vane journal and the vane support ring at a distance from the cover disk holds.
Die Erfindung betrifft auch einen Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Leitschaufel-Anordnung mit einem oder mehreren der vorangehend erläuterten Merkmale sowie mit einem Turbinengehäuse mit einer der Leitschaufel-Anordnung zugewandten Gehäusewand, auf welcher die Deckscheibe der Leitschaufel-Anordnung angeordnet ist. Der Abgasturbolader umfasst ferner ein Lagergehäuse sowie ein sich an dem Lagergehäuse abstützendes Federelement, mittels welchem in der axialen Richtung über den Leitschaufelträgerring eine Druckkraft auf das zumindest eine Abstandselement erzeugt wird, so dass dieses die Deckscheibe zur axialen Fixierung gegen das Turbinengehäuse drückt.The invention also relates to an exhaust-gas turbocharger, in particular for a motor vehicle, with a guide-blade arrangement having one or more of the features explained above and with a turbine housing with a housing wall facing the guide-blade arrangement, on which the cover disk of the guide-blade arrangement is arranged. The exhaust-gas turbocharger further comprises a bearing housing and a spring element supported on the bearing housing, by means of which a pressure force is generated on the at least one spacer element in the axial direction via the guide-blade carrier ring, so that this presses the cover disk against the turbine housing for axial fixation.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie mit einem zur Leistungssteigerung dieser Brennkraftmaschine mit dieser in Wirkverbindung stehenden Abgasturbolader mit den vorangehend erläuterten Merkmalen. The invention further relates to a motor vehicle having an internal combustion engine as well as having an exhaust gas turbocharger operatively connected thereto for increasing the output of this internal combustion engine with the features explained above.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description.
In der Darstellung der
Der Leitschaufelträgerring
In einer ersten Variante kann die Deckscheibe
Beispielsweise kann die Deckscheibe
Die Leitschaufel-Anordnung kann zumindest ein Abstandselement
Der Abgasturbolader kann ferner ein ebenfalls nur teilweise dargestelltes Lagergehäuse
Der Abgasturbolader kann zusammen mit einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, wobei der Abgasturbolader zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine mit dieser in Wirkverbindung stehen kann. The exhaust gas turbocharger can be used together with an internal combustion engine in a motor vehicle, wherein the exhaust gas turbocharger for increasing the performance of the internal combustion engine can be in operative connection with this.
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