DE102007017827A1 - Exhaust gas turbocharger for or in a motor vehicle with a self-cleaning coating provided on an inner surface on the compressor side - Google Patents

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Abstract

Innerhalb eines Turboladers für ein oder in einem Kraftfahrzeug ist zumindest ein Verdichter angeordnet. Der Turbolader weist verdichterseitig an einer inneren Oberfläche eine selbstreinigende Beschichtung auf. Unter einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung einer verdichterseitigen inneren Oberfläche eines Turboladers bereit. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Sol hergestellt. In weiteren Schritten wird eine Schicht des Sols auf die innere Oberfläche aufgetragen, die Schicht in einem Sol-Gel-Prozess kondensiert und bei einer Einbrenntemperatur eingebrannt, die oberhalb einer verdichterseitigen Betriebstemperatur des Turboladers liegt.Within a turbocharger for or in a motor vehicle, at least one compressor is arranged. The turbocharger has a self-cleaning coating on the compressor side on an inner surface. In another aspect, the invention provides a method of coating a compressor-side inner surface of a turbocharger. In this case, a sol is produced in a first step. In further steps, a layer of the sol is applied to the inner surface, the layer is condensed in a sol-gel process and baked at a baking temperature which is above a compressor-side operating temperature of the turbocharger.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für oder in einem Kraftfahrzeug mit einer verdichterseitig an einer inneren Oberfläche vorgesehenen selbstreinigenden Beschichtung.The The invention relates to an exhaust gas turbocharger for or in one Motor vehicle with a compressor side on an inner surface provided self-cleaning coating.

Es ist allgemein bekannt, dass die Leistung, die Verbrauchs- und Emissionswerte von Verbrennungsmotoren durch Abgasturbolader verbessert werden können. Das Grundprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, dass eine von den Abgasen des Motors angetriebene Turbine die Energie für einen Verdichter liefert, der angesaugte Luft vorverdichtet, bevor sie der Brennkammer des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Bei einer verbreiteten Form sind Turbine und Verdichter durch eine gemeinsame Welle verbunden, an der ein in einem Turbinengehäuse rotierendes Turbinenrad und ein in einem Verdichtergehäuse rotierendes Verdichterrad befestigt sind.It is well known that the performance, consumption and emission levels be improved by internal combustion engines by exhaust gas turbocharger can. The basic principle of an exhaust gas turbocharger exists in that a turbine driven by the exhaust gases of the engine provides the energy for a compressor, the sucked Pre-compressed air before entering the combustion chamber of the internal combustion engine is supplied. In a common form are turbines and compressors connected by a common shaft, at the one in a turbine housing rotating turbine wheel and a mounted in a compressor housing rotating compressor wheel are.

Dabei treten in den Verdichtern häufig Ablagerungen auf, die aus Verunreinigungen der angesaugten Luft stammen und die Funktion des Abgasturboladers nachteilig beeinflussen. Dies ist in besonderem Maße der Fall, wenn mit Motoröl, Treibstoff und Verbrennungsrückständen vermengte Luft, wie sie beispielsweise im Kurbelgehäuse des Motors anfällt, zur Verringerung von Emissionen in den Ansaugtrakt des Motors rückgeführt wird. Die Entlüftung des Kurbelgehäuses ist notwendig, da der Motor stets einen Teil der Verbrennungsgase an den Kolben vorbei in das Kurbelgehäuse bläst.there deposits often occur in the compressors that come from impurities in the intake air and the function of the exhaust gas turbocharger adversely affect. This is special Dimensions of the case, if with engine oil, fuel and Combustion residues mixed air, as they did For example, in the crankcase of the engine, recycled to reduce emissions in the intake tract of the engine becomes. Ventilation of the crankcase is necessary because the engine always passes some of the combustion gases past the pistons blows into the crankcase.

Vermehrt entstehen Ablagerungen zudem, wenn im Rahmen einer externen Abgasrückführung ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors in den Ansaugtrakt zurückgeleitet wird. Diese Maßnahme wird sowohl eingesetzt, um über niedrigere Verbrennungstemperaturen die Emission von Stickoxiden zu verringern, als auch, um bei Ottomotoren über niedrigere Strömungsverluste an der Drosselklappe im Teillastbetrieb den Kraftstoffverbrauch zu senken.increased Deposits also occur if, as part of an external exhaust gas recirculation Part of the exhaust gas of the internal combustion engine fed back into the intake becomes. This measure is both used to over lower combustion temperatures the emission of nitrogen oxides to lower, as well as to lower in gasoline engines Flow losses at the throttle valve in partial load operation to reduce fuel consumption.

Bei den im Verdichter auftretenden Ablagerungen handelt es sich in der Regel um kohlenstoffreiche Verbindungen. Diese Ablagerungen führen zu einer Degradation der Wirksamkeit des Verdichters und können zu einer dauerhaften Schädigung und somit zu einer Lebenszeitverkürzung der Bauteile führen.at The deposits occurring in the compressor are in the Usually high-carbon compounds. These deposits lead to a degradation of the effectiveness of the compressor and can to permanent damage and thus to a reduction in lifespan lead the components.

Eine bekannte Maßnahme zur Vermeidung von Ablagerungen besteht darin, Öl mit Hilfe von Ölnebelabscheidern, wie z. B. dem aus der DE 196 07 919 A1 bekannten Zentrifugalabscheider, aus der ölvermengten Luft des Kurbelgehäuses abzuscheiden und in die Ölwanne zurückzuführen. Das Verfahren ist allerdings in seinem Wirkungsgrad der Ölabscheidung begrenzt, wie auch ungeeignet zur Abscheidung von Verunreinigungen anderer Art. Da die Ölabscheidung vor der Rückführung der Luft aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt erfolgt, ist das Verfahren zudem unwirksam gegenüber aus der Außenluft stammenden Verunreinigungen.A known measure to prevent deposits is to oil with the help of oil mist separators, such. B. from the DE 196 07 919 A1 known Zentrifugalabscheider, to be separated from the oil-blended air of the crankcase and returned to the oil pan. However, the method is limited in its efficiency of oil separation, as well as unsuitable for the separation of other types of contaminants. Since the oil separation takes place before the return of the air from the crankcase in the intake tract, the method is also ineffective against contaminants from the outside air.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die im Verdichter auftretenden Ablagerungen insgesamt zu verringern, und insbesondere vollständig zu verhindern.task The invention is therefore, the deposits occurring in the compressor overall, and in particular, completely too prevent.

Die vorliegende Erfindung stellt unter einem Gesichtspunkt einen Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug bereit. Innerhalb des Turboladers ist zumindest ein Verdichter angeordnet. Der Turbolader weist verdichterseitig an einer inneren Oberfläche eine selbstreinigende Beschichtung auf.The The present invention provides, in one aspect, a turbocharger ready for or in a motor vehicle. Within the Turbocharger is arranged at least one compressor. The turbocharger points Compressor side on an inner surface a self-cleaning Coating on.

Die selbstreinigende Beschichtung führt zu einer verminderten Haftung von Substanzen an der Oberfläche. Verunreinigungen, insbesondere kohlenstoffreiche Verbindungen, die mit der zu verdichtenden Luft in den Turbolader gelangen, haften daher nicht oder nur in vermindertem Maße an der inneren Oberfläche, wenn sie auf diese auftreffen. Dadurch verlässt ein er heblicher Teil der Verunreinigungen den Turbolader wieder mit der verdichteten Luft, so dass die Ablagerung dieser Verunreinigungen im Turbolader vermieden wird.The self-cleaning coating leads to a reduced Adhesion of substances on the surface. impurities in particular carbon-rich compounds with the to be compacted Air enter the turbocharger, therefore, do not adhere or only in diminished dimensions on the inner surface, though they strike this one. This leaves him more important Part of the impurities restore the turbocharger with the compressed Air, allowing the deposition of these impurities in the turbocharger is avoided.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung ein keramisches Material auf. Keramische Materialien lassen sich fest mit den in der Regel metallischen Grundwerkstoffen des Turboladers verbinden und haben den Vorzug, dauerhaft genug zu sein, den Turbolader während seiner gesamten Lebensdauer vor Ablagerungen zu schützen. Durch eine Dicke der Beschichtung von weniger als 5 μm, insbesondere weniger als 1 μm werden die durch die unvermeidliche Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Beschichtung und des beschichteten Grundwerkstoffs auftretenden Spannungen begrenzt. Dies hat den Vorzug, dass Risse in der Beschichtung und nachfolgendes Abplatzen vermieden werden, wodurch Stabilität und Lebensdauer der Beschichtung sich verbessern.According to one Embodiment of the invention includes the coating ceramic material. Ceramic materials can be fixed with the usually metallic base materials of the turbocharger connect and have the preference to be durable enough, the turbocharger during its entire life before deposits too protect. By a thickness of the coating of less than 5 .mu.m, in particular less than 1 .mu.m are by the inevitable difference between the thermal expansion coefficients the coating and the coated base material occurring stresses limited. This has the merit of having cracks in the coating and subsequent chipping are avoided, resulting in stability and lifetime of the coating improve.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Beschichtung Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid auf, wobei auch mehrere dieser Bestandteile kombiniert sein können. Da das thermische Ausdehnungsverhalten von Zirkoniumdioxid besonders gut mit im Turboladerbau verwendeten metallischen Grundwerkstoffen übereinstimmt, wird bei Einsatz dieses Materials die Gefahr innerer Spannungen in der Beschichtung reduziert. Durch Verwendung von Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid wird erreicht, dass organische Verbindungen auf der Beschichtung eine besonders schlechte Haftung haben und damit die Bildung von Ablagerungen besonders weitgehend vermieden wird.According to one embodiment, the coating comprises zirconia, alumina, spinel or silica, wherein several of these constituents may also be combined. Since the thermal expansion behavior of zirconium dioxide agrees particularly well with metallic base materials used in turbocharger construction, the risk of internal stresses in the coating is reduced when using this material. By using alumina, spinel or silica is achieved that organic compounds on the coating have a particularly poor adhesion and thus the formation of deposits be especially largely avoided.

Gemäß einer Ausführungsform enthält die Beschichtung mindestens einen katalytisch wirksamen Bestandteil zur Zersetzung von Ablagerungen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da durch die Wirkung des Bestandteils Verunreinigungen, die sich auf der Beschichtung trotz verminderter Haftung abgesetzt haben, katalytisch zersetzt werden, und zwar bereits bei den im Verdichterteil des Abgasturboladers herr schenden, relativ niedrigen Temperaturen. Die Zersetzungsprodukte verlassen die Oberfläche der Beschichtung und werden mit der verdichteten Luft aus dem Turbolader ausgeblasen, bevor es zur Akkumulation von Ablagerungen kommt.According to one Embodiment contains the coating at least a catalytically active ingredient for the decomposition of deposits. These Embodiment is particularly advantageous because of the Effect of the ingredient impurities that affect the coating have deposited despite reduced adhesion, catalytically decomposed be, already in the compressor part of the exhaust gas turbocharger mister, relatively low temperatures. The decomposition products leave the surface of the coating and be with the compressed air is blown out of the turbocharger before it reaches the Accumulation of deposits comes.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist der katalytisch wirksame Bestandteil ein Edelmetall, insbesondere Platin, oder ein Metalloxid, insbesondere Vanadiumoxid oder Ceroxid. Diese Bestandteile eignen sich in besonderem Maße sowohl aufgrund ihrer katalytischen Wirkung als auch deswegen, weil sie sich mit einem z. B. keramischen Grundmaterial der Beschichtung vermengen und gemeinsam aufbringen lassen. Dadurch wird bei einfacher Verarbeitung eine besonders feste Verbindung des katalytischen Bestandteils mit dem Grundmaterial erreicht.According to others Embodiments is the catalytically active ingredient a noble metal, in particular platinum, or a metal oxide, in particular vanadium oxide or ceria. These ingredients are particularly suitable both because of their catalytic effect and because of she with a z. B. ceramic base material of the coating mix together and apply together. This will be easier Processing a particularly strong compound of the catalytic ingredient achieved with the base material.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Beschichtung eine nanoporöse Schicht, in die der katalytisch wirksame Bestandteil, insbesondere ein Nitrat oder Sulfat, eingelagert ist. Die nanoporöse Schicht erlaubt es, auch solche Verbindungen in die Beschichtung einzulagern, deren spezifische katalytische Wirkung gewünscht ist, die sich aufgrund ihrer chemischen Reaktivität oder ihrer Temperaturstabilität nicht dazu eignen würden, mit einem z. B. keramischen Grundmaterial gemeinsam verarbeitet zu werden. Auch Verbindungen, wie bestimmte Sulfate oder Nitrate, mit einer korrodierenden Wirkung auf den Grundwerkstoff des Turboladers können verwendet werden, da die nanoporöse Schicht es erlaubt, die katalytisch wirksamen Bestandteile z. B. durch nachträgliches Infiltrieren selektiv in einen oberen Bereich der Beschichtung einzulagern.According to one Embodiment, the coating comprises a nanoporous Layer in which the catalytically active ingredient, in particular a nitrate or sulfate, is stored. The nanoporous layer allows to store such compounds in the coating, whose specific catalytic action is desired, the due to their chemical reactivity or their temperature stability would not be suitable, with a z. B. ceramic base material to be processed together. Also connections, like certain Sulfates or nitrates, with a corrosive effect on the base material The turbocharger can be used as the nanoporous Layer allows the catalytically active ingredients z. B. by subsequent infiltration selectively into an upper one To store the area of the coating.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Verdichterrad vorgesehen, welches mit der Beschichtung versehen ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da das Verdichterrad in hohem Maße den mit der zu verdichtenden Luft einströmenden Verunreinigungen ausgesetzt ist. Zudem kann eine unerwünschte Erhöhung des Trägheitsmoments des Verdichterrads durch Ablagerungen vermieden werden.According to one Embodiment is provided at least one compressor wheel, which is provided with the coating. This embodiment is particularly advantageous because the compressor wheel to a great extent the inflowing with the air to be compressed impurities is exposed. In addition, an undesirable increase the moment of inertia of the compressor wheel by deposits be avoided.

Gemäß weiteren Ausführungsformen sind mindestens eine Gehäuseoberfläche im Bereich des Verdichters, bzw. eine das Verdichtergehäuse rückseitig abschließende Wand, vorgesehen, die mit der Beschichtung versehen sind. Diese Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft, da Verunreinigungen an besonders zu Ablagerungen neigenden unbewegten Teilen so verhindert werden können.According to others Embodiments are at least one housing surface in the area of the compressor, or one the compressor housing Rear wall, provided on the back are provided with the coating. These embodiments are particularly advantageous because impurities on especially too Deposits tending stationary parts can be prevented.

Unter einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung einer verdichterseitigen inneren Oberfläche eines Turboladers bereit. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Sol hergestellt. In weiteren Schritten wird eine Schicht des Sols auf die innere Oberfläche aufgetragen, die Schicht in einem Sol-Gel-Prozess kondensiert, und bei einer Einbrenntemperatur eingebrannt, die oberhalb einer verdichterseitigen Betriebstemperatur des Turboladers liegt.Under In another aspect, the invention provides a method for coating a compressor-side inner surface a turbocharger ready. Here, in a first step, a sol produced. In further steps, a layer of sol is on applied the inner surface, the layer in one Sol-gel process condenses, and burned at a baking temperature, the above a compressor-side operating temperature of the turbocharger lies.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch das Einbrennen bei einer Temperatur oberhalb der im Betrieb des Turboladers im Verdichter herrschenden Temperaturen eine Beschichtung erzielt wird, die während des Betriebs des Turboladers eine hohe Stabilität aufweist. Gleichzeitig erlaubt das Verfahren, die Einbrenntemperatur so niedrig zu wählen, dass der Grundwerkstoff der jeweils zu beschichtenden Bauteils nicht nachteilig beeinflusst wird, da sich durch den Sol-Gel-Prozess eine weitergehende Erhitzung, etwa bis zum Schmelzpunkt des keramischen Materials der gewünschten Beschichtung, erübrigt. Vor dem Einbrennen kann die Schicht bei einer unterhalb der Einbrenntemperatur liegenden Trockentemperatur getrocknet werden, was eine Beschleunigung des Verfahrens erlaubt.This Method has the advantage that by baking at a temperature above the temperatures prevailing in the compressor during operation of the turbocharger a coating is obtained during operation the turbocharger has a high stability. simultaneously allows the method to choose the baking temperature so low that the base material of each component to be coated not is adversely affected, since by the sol-gel process a further heating, up to the melting point of the ceramic Material of the desired coating, unnecessary. Before baking, the layer may be at a below the bake temperature Drying temperature can be dried, causing an acceleration of the procedure allowed.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Sol auf Grundlage eines Metallalkoxids, insbesondere von Zirkoniumtetrapropylat hergestellt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, im Ergebnis eine keramische Beschichtung mit einem gewünschten Metalloxidmaterials zu liefern, wenn man ein dem gewünschten Me talloxid entsprechendes Metallalkoxid als Alkoxidmaterial wählt. Insbesondere erreicht man durch Verwendung von Zirkoniumtetrapropylat eine Beschichtung mit Zirkoniumdioxid.According to one Embodiment, the sol is based on a metal alkoxide, in particular produced by zirconium tetrapropylate. This embodiment has the advantage, as a result, a ceramic coating with a desired metal oxide material, if one the desired Me talloxid corresponding metal alkoxide as Chooses alkoxide material. In particular, you can reach through Use of zirconium tetrapropylate a coating with zirconia.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Sol durch Tauchen oder Spritzen auf die innere Oberfläche aufgebracht. Hierdurch lässt sich eine besonders gleichmäßige Schichtdicke erzielen.According to one Embodiment, the sol is by dipping or spraying applied to the inner surface. This leaves a particularly uniform layer thickness achieve.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Herstellen des Sols unter Beimengen eines katalytisch wirksamen Bestandteils, insbesondere von Platin, Vanadiumoxid, oder Ceroxid. Auf diese Weise erreicht man auf besonders einfache Weise eine Beschichtung, die Ablagerungen bei den Betriebstemperaturen des Verdichters katalytisch zersetzen kann.According to one Embodiment carried out the preparation of the sol with mixing a catalytically active ingredient, in particular platinum, Vanadium oxide, or cerium oxide. In this way you can reach for special easy way a coating, the deposits at the operating temperatures of the compressor can decompose catalytically.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Schicht nach dem Einbrennen nanoporös. Das Verfahren umfasst hierbei weiterhin einen Schritt des Einlagerns von katalytisch wirksamen Verbindungen, insbesondere von Nitraten und/oder Sulfaten, in die Schicht. Auf diese Weise lässt sich eine Beschichtung mit der katalytischen Wirkung von Bestandteilen ausstatten, die aufgrund ihrer chemischen oder physikalischen Eigenschaften nicht für ein gemeinsames Aufbringen mit dem Sol geeignet sind.According to one embodiment, the Layer after firing nanoporous. The method further comprises a step of storing catalytically active compounds, in particular nitrates and / or sulfates, in the layer. In this way, a coating can be provided with the catalytic effect of constituents which, because of their chemical or physical properties, are not suitable for co-application with the sol.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The Invention will be described below with reference to the schematic figures specified embodiments explained in more detail.

1 zeigt einen Querschnitt eines üblichen Abgasturboladers, 1 shows a cross section of a conventional exhaust gas turbocharger,

2 zeigt einen Querschnitt eines verdichterseitigen Gehäuseteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 2 shows a cross section of a compressor-side housing part according to an embodiment of the invention,

3 zeigt einen Querschnitt einer selbstreinigenden Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 3 shows a cross section of a self-cleaning coating according to an embodiment of the invention, and

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Beschichtungsverfahrens einer Ausführungsform der Erfindung. 4 Fig. 10 shows a flow chart of a coating method of an embodiment of the invention.

In allen Figuren sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.In All figures are the same or functionally identical elements and devices provided with the same reference numerals.

1 zeigt einen Aufriss eines üblichen Abgasturboladers 102 mit einer Turbine 118 und einem Verdichter 116. Innerhalb eines Turbinengehäuses 106 der Turbine 118 ist ein Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb eines Verdichtergehäuses 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 verlässt 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. 1 shows an elevation of a conventional exhaust gas turbocharger 102 with a turbine 118 and a compressor 116 , Inside a turbine housing 106 the turbine 118 is a turbine wheel 108 rotatably mounted and with one end of a shaft 110 connected. Inside a compressor housing 100 of the compressor 116 is a compressor wheel 104 also rotatably mounted and with the other end of the shaft 110 connected. Via a turbine inlet 112 is hot exhaust gas from an internal combustion engine, not shown here in the turbine 118 let in, causing the turbine wheel 108 is set in rotation. The exhaust gas flow leaves the turbine 118 through a turbine outlet 114 , About the wave 110 that the turbine wheel 108 to the compressor wheel 104 coupled, drives the turbine 118 the compressor 116 at.

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. Der angesaugten Luft kann dabei z. B. ein rückgeführter Teil des die Turbine 114 verlassenden Abgases oder verunreinigte Luft aus dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors beigemengt sein. Die verdichtete Ansaugluft verlässt das Verdichterrad 104 in radialer Richtung und wird über einen hier nicht gezeigten Luftauslass an der Peripherie des Verdichtergehäuses 100 dem Verbrennungsmotor zugeführt.The rotation of the compressor wheel 104 creates a negative pressure at the compressor inlet 120 , By the air from a not shown here, in connection with the outside air intake in the compressor 116 is sucked. The sucked air can be z. B. a recirculated part of the turbine 114 leaving exhaust gas or contaminated air from the crankcase of the internal combustion engine be added. The compressed intake air leaves the compressor wheel 104 in the radial direction and is via an air outlet, not shown here at the periphery of the compressor housing 100 supplied to the internal combustion engine.

Während des Betriebs des Abgasturboladers sind sowohl die innere Oberfläche des Verdichtergehäuses 100 als auch die Oberfläche des Verdichterrads 104 der angesaugten Luft und den durch sie transportierten Verunreinigungen ausgesetzt, je nach Konstruktion darüber hinaus weitere Bauteile im Bereich des Verdichters 116 wie die nach 1 das Verdichtergehäuse 100 rückseitig abschließende Fläche 122 eines zwischen Verdichter 116 und Turbine 118 angeordneten Wellengehäuses 124. An allen diesen Oberflächen können daher aus den Verunreinigungen der angesaugten Luft stammende Ablagerungen auftreten.During operation of the exhaust gas turbocharger, both the inner surface of the compressor housing 100 as well as the surface of the compressor wheel 104 Depending on the design, further components in the area of the compressor are exposed to the intake air and the impurities transported through it 116 like the after 1 the compressor housing 100 backside closing surface 122 one between compressors 116 and turbine 118 arranged shaft housing 124 , Therefore, deposits originating from contaminants in the intake air can occur on all of these surfaces.

2 zeigt einen Aufriss eines Verdichtergehäuses 100 bzw. eines verdichterseitigen Gehäuseteils eines Abgasturboladers, das einen Metallkörper 204 aufweist. Der Metallkörper 204 ist z. B. einstückig aus Grauguss oder im Druckgussverfahren aus Aluminium gefertigt, wobei zur Erhöhung der Maßgenauigkeit und Oberflächengüte an Gehäuseinnenseite und Dichtflächen 206 eine Endbearbeitung mittels CNC-Drehmaschinen erfolgen kann. 2 shows an elevation of a compressor housing 100 or a compressor-side housing part of an exhaust gas turbocharger, which has a metal body 204 having. The metal body 204 is z. B. integrally made of gray cast iron or die-cast aluminum, with increasing the dimensional accuracy and surface quality on the inside of the housing and sealing surfaces 206 a finish can be done by means of CNC lathes.

An seiner Innenseite ist das Gehäuse mit einer keramischen Beschichtung 202 aus einem Metalloxidmaterial versehen, die in 2 durch eine dicke schwarze Linie kenntlich gemacht ist. Vorzugsweise ist die Beschichtung 202 dünner als 5 µm, insbesondere dünner als 1 µm. Bevorzugt sind alle der angesaugten Luft ausgesetzten Flächen auch der übrigen Bauteile des Verdichters, insbesondere das Verdichterrad, mit einer analogen Beschichtung versehen. Hierbei kann die Beschichtung 202 entsprechend der Grundmaterialien der einzelnen Bauteile jeweils unterschiedlich zusammengesetzt sein. Zum Beispiel ist es sinnvoll, für ein aus Aluminium gefertigtes Verdichterrad eine geringere Beschichtungsdicke, z. B. weniger als 1 µm, zu wählen als für aus Grauguss gefertigte Gehäuseteile, um aufgrund der großen Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium zu dem keramischer Materialien verstärkt auftretende Spannungen in der Beschichtung zu begrenzen.On its inside is the case with a ceramic coating 202 made of a metal oxide material, which in 2 indicated by a thick black line. Preferably, the coating is 202 Thinner than 5 microns, especially thinner than 1 micron. Preferably, all of the surfaces exposed to the intake air are also provided with the other components of the compressor, in particular the compressor wheel, with an analogous coating. Here, the coating 202 be composed differently according to the basic materials of the individual components. For example, it is useful for a compressor made of aluminum a lower coating thickness, for. B. less than 1 micron, to choose as made of cast iron housing parts to limit due to the large difference in the thermal expansion coefficient of aluminum to the ceramic materials increasingly occurring stresses in the coating.

Die keramische Beschichtung 202 besteht bevorzugt aus Zirkoniumdioxid, das in seinem thermischen Ausdehnungsverhalten gut mit dem Werkstoff des Metallkörpers 204 übereinstimmt. So liegt etwa der Wärmeausdehnungskoeffizient von Eisen bei 12 μm·m–1·K–1 und derjenige von Zirkondioxid bei 5–10 μm·m–1·K–1, einem unter keramischen Materialien sehr hohen Wert. Weitere geeignete Metalloxidmaterialien sind Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid. Von diesen Materialien ist bekannt, dass organische Verunreinigungen schlecht auf ihnen haften. Dadurch hat die keramische Beschichtung 202 bereits die Wirkung, Ablagerungen solcher Verunreinigungen auf der Innenseite des Verdichtergehäuses zu verringern.The ceramic coating 202 consists preferably of zirconia, which in its thermal expansion behavior works well with the material of the metal body 204 matches. For example, the coefficient of thermal expansion of iron is 12 .mu.m.sup.- 1 K.sup.- 1 and that of zirconium dioxide is 5-10 .mu.m.sup.- 1 K.sup.- 1 , which is a very high value among ceramic materials. Other suitable metal oxide materials are alumina, spinel or silica. Of these materials, it is known that organic impurities are poorly adhered to them This has the ceramic coating 202 already the effect of reducing deposits of such impurities on the inside of the compressor housing.

Um sich dennoch ablagernde Verunreinigungen zu zersetzen, bevor diese zu größeren Ablagerungen führen, enthält das keramische Material der Beschichtung 202 zudem Beimischungen, die bei den verdichterseitig herrschenden relativ niedrigen Betriebstemperaturen katalytisch wirksam sind, z. B. Edelmetalle wie Platin oder besondere Metalloxide wie Vanadiumoxid oder Ceroxid. Alternativ oder zusätzlich können katalytisch wirksame Bestandteile in Nanoporen der Beschichtung eingelagert sein.In order to decompose depositing contaminants before they lead to larger deposits, contains the ceramic material of the coating 202 In addition, admixtures that are catalytically effective at the compressor side prevailing relatively low operating temperatures, eg. As noble metals such as platinum or special metal oxides such as vanadium oxide or cerium oxide. Alternatively or additionally, catalytically active constituents may be incorporated in nanopores of the coating.

3 zeigt einen Querschnitt durch eine keramische Beschichtung einer Oberfläche eines Verdichterteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Auf einem Metallkörper 204 ist eine nanoporöse keramische Schicht 300 aufgebracht. In die Poren 304 der nanoporösen Schicht 300 sind katalytisch wirksame Bestandteile 302, insbesondere Nitrate und Sulfate, eingelagert, die bei den relativ niedrigen Betriebstemperaturen des Verdichters sich an der Oberfläche der Schicht 300 anlagernde Verunreinigungen katalytisch zersetzen. Dabei können z. B. durch Infiltrieren der nanoporösen Schicht 300 von ihrer Oberfläche her die katalytisch wirksamen Bestandteile 302 wie dargestellt gezielt in der Nähe der Oberfläche eingelagert werden. 3 shows a cross section through a ceramic coating a surface of a compressor part according to an embodiment of the invention. On a metal body 204 is a nanoporous ceramic layer 300 applied. In the pores 304 the nanoporous layer 300 are catalytically active ingredients 302 , in particular nitrates and sulfates, stored at the relatively low operating temperatures of the compressor at the surface of the layer 300 decompose accumulating impurities catalytically. This z. B. by infiltrating the nanoporous layer 300 from its surface, the catalytically active ingredients 302 as shown targeted to be stored near the surface.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Beschichtung eines Verdichterteils für einen Turbolader eines Verbrennungsmotors mit einer selbstreinigenden Schicht wie in 3 gezeigt. Das Verfahren ist sowohl zur Beschichtung der Innenseite des Verdichtergehäuses als auch zur teilweisen oder vollständigen Beschichtung der Oberfläche des Verdichterrades und weiterer der angesaugten Luft ausgesetzter Bauteile geeignet. In einem ersten Schritt 402 wird in einem bekannten Verfahren ein Sol auf Grundlage eines Alkoxidmaterials hergestellt. Dabei wird als Alkoxidmaterial beispielhaft Zirkoniumtetrapropylat gewählt, um durch das Verfahren zu einer Beschichtung aus Zirkoniumdioxid zu gelangen. Ist eine Beschichtung aus anderen Metalloxiden wie z. B. Aluminiumoxid, Spinell oder Siliziumdioxid gewünscht, können zur Herstellung eines entsprechenden Sols geeignete andere Alkoxidmaterialien gewählt werden. 4 FIG. 13 shows a flowchart of an exemplary method for coating a compressor part for a turbocharger of an internal combustion engine having a self-cleaning layer as in FIG 3 shown. The method is suitable both for coating the inside of the compressor housing as well as for partial or complete coating of the surface of the compressor wheel and other of the sucked air exposed components. In a first step 402 In a known method, a sol based on an alkoxide material is produced. In this case, zirconium tetrapropylate is selected as the alkoxide material by way of example in order to obtain a zirconium dioxide coating by the process. Is a coating of other metal oxides such. For example, alumina, spinel or silica desired, other suitable alkoxide materials can be selected for the preparation of a corresponding sol.

In einem zweiten Schritt 404 wird eine Schicht des hergestellten Sols auf eine Oberfläche des Verdichterteils aufgetragen, vorzugsweise durch Tauchen oder Spritzen. Beispielsweise kann ein Verdichterrad zur Beschichtung der gesamten Oberfläche in das Sol getaucht oder die Innenseite eines Verdichtergehäuses durch Spritzen mit dem Sol überzogen werden, wobei die Außenseite des Gehäuses unbeschichtet belassen wird.In a second step 404 For example, a layer of the prepared sol is applied to a surface of the compressor part, preferably by dipping or spraying. For example, a compressor wheel can be immersed in the sol for coating the entire surface or the inside of a compressor housing can be coated with the sol by spraying, leaving the outside of the housing uncoated.

Die aufgebrachte Solschicht wird in Schritt 406 in einem Sol-Gel-Prozess zu einem Gel kondensiert und anschließend in Schritt 408 bei einer Temperatur von ca. 300°C getrocknet. Um eine gute Haftung der Beschichtung am Verdichterteil zu gewährleisten, folgt in einem weiteren Schritt 410 ein Einbrand bei einer Temperatur von ca. 700°C., wobei sich auf der Oberfläche des Verdichterteils eine nanoporöse Zirkoniumdioxidschicht bildet. Die Temperatur ist so gewählt, dass sie höher liegt als die im Betrieb des Verdichters auftretenden Temperaturen, aber nicht so hoch, dass der Werkstoff des Verdichters negativ beeinflusst wird.The applied sol layer becomes in step 406 condensed into a gel in a sol-gel process and then in step 408 dried at a temperature of about 300 ° C. To ensure good adhesion of the coating on the compressor part, follows in a further step 410 a burn-in at a temperature of about 700 ° C., wherein forms on the surface of the compressor part, a nanoporous zirconium dioxide layer. The temperature is chosen to be higher than the temperatures encountered during operation of the compressor, but not so high as to adversely affect the material of the compressor.

In einem abschließenden Schritt 412 werden als katalytisch wirksame Bestandteile Nitrate und Sulfate in die Nanoporen der Zirkoniumdioxidschicht eingelagert, bevorzugt durch Infiltrieren der Schicht mit einer Lösung der jeweiligen Verbindungen. Nach dem Infiltrieren kann zusätzlich ein Einbrennverfahren bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen nachträglichen Einlagerung können katalytisch wirksame Substanzen dem Sol bei dessen Herstellung in Schritt 402 beigefügt werden. Hierzu eignen sich in besonderem Maße Edelmetalle wie Platin und spezielle Metalloxide wie Vanadiumoxid oder Ceroxid, da diese sich während des Gelierens und Einbrennens stabil mit der keramischen Schicht verbinden.In a final step 412 nitrates and sulfates are incorporated as catalytically active constituents in the nanopores of the zirconium dioxide layer, preferably by infiltrating the layer with a solution of the respective compounds. After infiltration, a baking process can additionally be carried out at elevated temperatures. Alternatively or in addition to such subsequent storage, catalytically active substances can be added to the sol during its preparation in step 402 be attached. Precious metals such as platinum and special metal oxides such as vanadium oxide or cerium oxide are particularly suitable for this, since they combine stably with the ceramic layer during gelling and baking.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19607919 A1 [0006] - DE 19607919 A1 [0006]

Claims (17)

Turbolader (102) für ein oder in einem Kraftfahrzeug, wobei innerhalb des Turboladers zumindest ein Verdichter angeordnet ist, mit einer verdichterseitig an einer inneren Oberfläche vorgesehenen selbstreinigenden Beschichtung (202).Turbocharger ( 102 ) for or in a motor vehicle, wherein at least one compressor is arranged within the turbocharger, with a self-cleaning coating provided on an inner surface on the compressor side ( 202 ). Turbolader (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (202) ein keramisches Material aufweist.Turbocharger ( 102 ) according to claim 1, characterized in that the coating ( 202 ) comprises a ceramic material. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (202) eine Dicke von weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 1 µm aufweist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 202 ) has a thickness of less than 5 microns, in particular less than 1 micron. Turbolader (102) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (202) Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Spinell oder/und Siliziumdioxid aufweist.Turbocharger ( 102 ) according to one of claims 2 or 3, characterized in that the coating ( 202 ) Zirconia, alumina, spinel or / and silica. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (202) mindestens einen katalytisch wirksamen Bestandteil (302) zur Zersetzung von Ablagerungen enthält.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 202 ) at least one catalytically active ingredient ( 302 ) for the decomposition of deposits. Turbolader (102) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytisch wirksame Bestandteil (302) ein Edelmetall, insbesondere Platin ist.Turbocharger ( 102 ) according to claim 5, characterized in that the catalytically active ingredient ( 302 ) is a noble metal, in particular platinum. Turbolader (102) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytisch wirksame Bestandteil (302) ein Metalloxid, insbesondere Vanadiumoxid oder Ceroxid ist.Turbocharger ( 102 ) according to claim 5, characterized in that the catalytically active ingredient ( 302 ) is a metal oxide, in particular vanadium oxide or cerium oxide. Turbolader (102) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine nanoporöse Schicht (300) umfasst, in die der katalytisch wirksame Bestandteil (302), insbesondere ein Nitrat oder Sulfat, eingelagert ist.Turbocharger ( 102 ) according to claim 5, characterized in that the coating is a nanoporous layer ( 300 ) into which the catalytically active constituent ( 302 ), in particular a nitrate or sulfate, is stored. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verdichterrad (104) vorgesehen ist, welches mit der Beschichtung (202) versehen ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one compressor wheel ( 104 ) provided with the coating ( 202 ) is provided. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gehäuseoberfläche im Bereich des Verdichters (104) vorgesehen ist, welche mit der Beschichtung (202) versehen ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one housing surface in the region of the compressor ( 104 ) provided with the coating ( 202 ) is provided. Turbolader (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Verdichter rückseitig abschließende Gehäusewand (122) vorgesehen ist, die mit der Beschichtung (202) versehen ist.Turbocharger ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a housing wall terminating the compressor at the rear ( 122 ) provided with the coating ( 202 ) is provided. Verfahren zur Beschichtung einer verdichterseitigen inneren Oberfläche (100, 104) eines Turboladers (102), mit den Schritten: Herstellen (402) eines Sols; Auftragen (404) einer Schicht (202) des Sols auf die innere Oberfläche; Kondensieren (406) der Schicht in einem Sol-Gel-Prozess; und Einbrennen (410) der Schicht bei einer Einbrenntemperatur, die oberhalb einer verdichterseitigen Betriebstemperatur des Turboladers liegt.Method for coating a compressor-side inner surface ( 100 . 104 ) of a turbocharger ( 102 ), with the steps: Manufacturing ( 402 ) of a sol; Instruct ( 404 ) of a layer ( 202 ) of the sol on the inner surface; Condensing ( 406 ) the layer in a sol-gel process; and burn in ( 410 ) of the layer at a stoving temperature which is above a compressor-side operating temperature of the turbocharger. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol auf Grundlage eines Metallalkoxids, insbesondere von Zirkoniumtetrapropylat, hergestellt wird.A method according to claim 12, characterized in that the sol based on a metal alkoxide, in particular zirconium tetrapropylate, will be produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen (402) des Sols unter Beimengen eines katalytisch wirksamen Bestandteils, insbesondere von Platin, Vanadiumoxid oder Ceroxid, erfolgt.Method according to one of claims 12 or 13, characterized in that the production ( 402 ) of the sol with the addition of a catalytically active ingredient, in particular of platinum, vanadium oxide or cerium oxide. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol durch Tauchen oder Spritzen auf die innere Oberfläche (100, 104) aufgebracht wird.Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that the sol by dipping or spraying on the inner surface ( 100 . 104 ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor dem Einbrennen (410) weiterhin einen Schritt des Trocknens (408) der Schicht bei einer Trockentemperatur, die unterhalb der Einbrenntemperatur liegt, aufweist.Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that the method before baking ( 410 ) further comprises a step of drying ( 408 ) of the layer at a drying temperature lower than the baking temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (202) nach dem Einbrennen (408) nanoporös ist, und das Verfahren weiterhin einen Schritt des Einlagerns (410) von katalytisch wirksamen Verbindungen (302), insbesondere von Nitraten und/oder Sulfaten, in die Schicht umfasst.Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that the layer ( 202 ) after firing ( 408 ) is nanoporous, and the method further comprises a step of storing ( 410 ) of catalytically active compounds ( 302 ), in particular of nitrates and / or sulphates, in the layer.
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