WO2016184617A1

WO2016184617A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: WO2016184617A1
Application number: PCT/EP2016/058087
Authority: WO
Inventors: Florian Erdel; Felix SCHEERER
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2016-11-24
Also published as: DE102015209369A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (2) mit zwei Abgasfluten (3,4), die über eine Trennwand (5) voneinander getrennt sind, und mit zwei jeweils in eine zugehörige Abgasflut (3,4) reichenden Spiralzungen (6,7). Erfindungswesentlich ist dabei, dass an der Trennwand (5) zumindest im Bereich einer der beiden Spiralzungen (6,7) eine Rissstörkontur (8) angeordnet ist, die eine Entstehung und/oder ein Wachstum eines Risses (9) zumindest behindert.

Description

Abgasturbolader

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem

Turbinengehäuse mit zwei Abgasfluten, die über eine Trennwand voneinander getrennt sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Aus der DE 10 2012 201 871 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse mit zwei Abgasfluten bekannt, wobei die beiden

Abgasfluten über eine Trennwand voneinander getrennt sind. Darüber hinaus sind zwei Spiralzungen vorgesehen, die in eine jeweils zugehörige Abgasflut hineinreichen. Hergestellt wird dabei das Turbinengehäuse, indem die

Trennwand in einen Sandkern eingebracht wird, der den Hohlraum im

Gießwerkzeug für die beiden Abgasfluten bildet und anschließend das

Turbinengehäuse gegossen wird.

Aus der US 2013/0219885 A1 ist ebenfalls ein gattungsgemäßer

Abgasturbolader mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse mit einer Trennwand bekannt, wobei die Trennwand radial verlaufende Schlitze aufweist, die das Risiko einer Rissentstehung an der Trennwand zumindest vermindern sollen.

Aus der WO 2013/130325 A1 ist wiederum ein zweiflutiges Turbinengehäuse mit einer Trennwand bekannt, wobei diese Trennwand in der Art einer

logarithmischen Kurve ausgebildet ist, um eventuell auftretende Risse vermeiden zu können.

Generell werden bei heutigen Abgasturboladern oftmals zweiflutige

Turbinengehäuse (sogenannte TwinScrolls) eingesetzt, die zwei Spiral besitzen, deren Strömungsraum durch eine Trennwand voneinander getrennt ist. Diese Trennwand ist aufgrund der Start-Stopp-Zyklen im Betrieb und den damit verbundenen Temperaturwechselzyklen einer sehr großen thermomechanischen Belastung ausgesetzt, was dazu führen kann, dass sich im Laufe der Zeit Anrisse in der Trennwand bilden können. In vielen Fällen wachsen diese Anrisse im weiteren Betriebsverlauf weiter und können unter Extrembedingungen zu einem Durchriss führen, was letztendlich den Totalausfall des Abgasturboladers bedeutet.

Die beispielsweise aus der DE 10 2012 201 871 A1 bekannte und in das

Turbinengehäuse eingegossene Trennwand, kann zwar das Auftreten von Rissen reduzieren, ist jedoch vergleichsweise aufwendig und damit teuer in der

Fertigung.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine kostengünstige Herstellung und eine verlängerte Lebensdauer auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des

unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind

Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Abgasturbolader mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse an einer die beiden Abgasfluten trennenden Trennwand zumindest im Bereich einer der beiden Spiralzungen eine Rissstörkontur anzuordnen, die eine

Entstehung und/oder ein Wachstum eines Risses zumindest behindert. Eine derartige Rissstörkontur kann beispielsweise als verdickte Rippe oder als

Durchgangsöffnung ausgebildet sein und wird erfindungsgemäß im Bereich von zwei jeweils in eine zugehörige Abgasflut reichenden Spiralzungen angeordnet, da in diesem Bereich das höchste Risiko des Entstehens derartiger Risse besteht. Durch das Vorsehen einer derartigen Rissstorkontur bzw.

Rissvermeidungs- oder Rissumlenkungskontur kann eine hinsichtlich der Fertigung vergleichsweise einfache und kostengünstige und hinsichtlich der Bauteilfestigkeit hochwertige Lösungen gefunden werden, die auch bei häufigen Start-Stopp-Zyklen und den damit verbundenen häufigen hohen

Temperaturwechselbelastungen die Rissneigung im Bereich der Trennwand zumindest reduziert und dadurch die Lebensdauer verlängert.

Fertigungstechnisch ist eine derartige erfindungsgemäße Rissstorkontur vergleichsweise einfach zu realisieren, da diese beispielsweise ohne größeren Aufwand in ein Gusswerkzeug integriert werden kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die zumindest eine Rissstorkontur als verdickte und in zumindest eine, vorzugsweise in beiden Abgasfluten ragende Rippe ausgebildet. Die als verdickte Rippe ausgebildete Rissstorkontur bildet somit aufgrund der Materialverdickung ein Hindernis für das Fortschreiten eines sich in diesem Bereich in Radialrichtung erstreckenden Ermüdungsrisses, weshalb dieser an der Rissstorkontur entweder endet oder aber durch diese umgelenkt wird. Die als Rippe ausgebildete

Rissstorkontur selbst hat dabei keine strömungsführende Funktion.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erstreckt sich die Rippe in Umfangsrichtung der Trennwand und ist gekrümmt. Sie kann somit im Wesentlichen dem Verlauf der Trennwand folgen und sich

beispielsweise über die gesamte Trennwandlänge erstrecken. Selbstverständlich ist auch lediglich eine derartige Rippe im Bereich der beiden Spiralzungen denkbar. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, wenn die Rippe eine Höhe h aufweist, die größer ist als die Dicke der Rippe. Hierdurch wird ein besonders wirkungsvolle und effektives Hindernis für einen sich vom Inneren freien Rand der Trennwand ausbildenden Riss geschaffen, wobei rein theoretisch selbstverständlich auch denkbar ist, dass die zumindest eine Rissstörkontur als verdickte aber in lediglich eine der beiden Abgasfluten ragende Rippe

ausgebildet ist.

Zweckmäßig geht die als Rippe ausgebildete Störkontur über schräge Flanken in die Trennwand über. Hierdurch kann die Kerbwirkung in diesem Bereich reduziert und damit ebenfalls die mechanische Belastung verringert werden, was indirekt wiederum zu einer Verlängerung der Lebensdauer führt.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Rissstörkontur als Durchgangsöffnung ausgebildet. Auch hierdurch können sich vom freien Rand der Trennwand ausbildende und in Radialrichtung

fortschreitende Risse gestoppt oder zumindest umgelenkt werden. Durch eine solche Durchgangsöffnung wird der Kerbradius des Risses vergrößert und dessen Kerbwirkung in der Absicht reduziert, den Riss zum Stillstand kommen zu lassen, wobei stets, das heißt unabhängig von der Ausgestaltung der jeweiligen Rissstörkontur, erreicht werden kann, dass der in Radialrichtung verlaufende Trennwandriss in ausreichender Entfernung von einer

Turbinengehäuseaußenwand gestoppt werden kann. Eine derartige

Durchgangsöffnung bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass sie im

Vergleich zu einer als verdickten Rippe ausgebildeten Rissstörkontur Material wegnimmt erfordert und dadurch hinsichtlich des Gewichts optimiert ist.

Die als Durchgangsöffnung ausgebildete Rissstörkontur kann sich dabei ebenfalls in Umfangsrichtung der Trennwand erstrecken und gekrümmt ausgebildet sein. Auch hier ist wiederum denkbar, dass sich eine derartig ausgebildete Rissstörkontur über die gesamte Umfangslänge der Trennwand erstreckt oder aber ausschließlich im Bereich einer jeweiligen Zungenspitze der beiden Zungen angeordnet ist, oder aber mit Abstand in Umfangsrichtung verteilt über die Trennwand.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Durchgangsöffnung derart ausgebildet, dass die Trennwand von den beiden Zungenspitzen der Spiralzungen entkoppelt ist. Da insbesondere im Bereich der Zungenspitzen sehr hohe thermomechanische Belastungen im Bereich der Trennwand auftreten, kann durch die thermomechanische

Entkopplung zwischen Spiralzunge und Trennwand der radiale Trennwandanriss zuverlässig vermieden werden. In diesem Fall kann somit ebenfalls mit einer Materialreduzierung und damit mit einer Gewichtseinsparung zugleich eine positive Beeinflussung des Risswachstums erreicht werden.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Rissstörkontur als zumindest eine sich in Radialrichtung erstreckende, Durchgangsöffnung an der Trennwand ausgebildet, wobei die

Durchgangsöffnung zugleich einen symmetrischen, gaußglockenartigen Rand aufweist. Dieser gaußglockenartige Rand bzw. normalverteilungsartige Rand, besitzt einen großen Kerbradius an der Spitze, wodurch ebenfalls eine

thermomechanische Entlastung der Trennwand erreicht und damit das Entstehen von sich in Radialrichtung ausbreitenden Trennwandrissen zumindest erschwert, vorzugsweise sogar vermieden werden kann. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass die zuletzt beschriebene Rissstörkontur nur im Bereich der beiden Spiralzungen angeordnet ist oder aber mit Abstand wiederkehrend entlang der gesamten Trennwand. Besonders jedoch im Bereich der beiden Spiralzungen sollte eine derartige Rissstörkontur vorgesehen werden, da hier das Risiko des Entstehens eines Trennwandrisses am größten ist. Die beschriebene

Rissstörkontur kann selbstverständlich ebenfalls auch nur an einer Seite der die beiden Abgasfluten trennenden Trennwand zumindest im Bereich einer

Spiralzunge vorgesehen werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen

Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

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.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen

Abgasturbolader mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse und einer eine erfindungsgemäße Rissstörkontur aufweisende Trennwand,

Fig. 2 eine Ansicht auf eine erste alternative Ausführungsform einer als

verdickte Rippe ausgebildeten Rissstörkontur,

Fig. 3 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch bei einer als Durchgangsöffnung ausgebildeten Rissstörkontur, Fig. 4 eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rissstorkontur,

Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch bei einer weiteren alternativen

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rissstorkontur.

Entsprechend der Fig. 1 , weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ein Turbinengehäuse 2 mit zwei Abgasfluten 3, 4 auf, die über eine Trennwand 5 voneinander getrennt sind. Ebenfalls vorgesehen sind zwei in jeweils eine zugehörige Abgasflut 3, 4 reichende Spiralzungen 6, 7. Erfindungsgemäß ist nun an der Trennwand 5 zumindest im Bereich einer Spiralzunge 6, 7 zumindest eine Rissstorkontur 8 angeordnet, die eine Entstehung und/oder ein Wachstum eines Risses 9 zumindest behindert (vgl. auch die Fig. 2 bis 5).

Betrachtet man dabei beispielsweise die Fig. 1 und 2, so kann man an diesen erkennen, dass die zumindest eine Rissstorkontur 8 als verdickte und in beide Abgasfluten 3, 4 ragende Rippe 10 ausgebildet ist. Diese Rippe 10 kann sich dabei in Umfangsrichtung 1 1 erstrecken und gekrümmt sein. Darüber hinaus besitzt die Rippe 10 vorzugsweise eine Höhe h, die größer ist als eine Dicke d. Die als Rippe 10 ausgebildete Rissstorkontur 8 geht darüber hinaus über schräge Flanken 12 in die Trennwand 5 über, wodurch eine Kerbwirkung verringert werden kann.

Dabei kann sich die Rissstorkontur 8 und insbesondere die Rippe 10 über die gesamte Umfangsrichtung 1 1 der Trennwand 5 erstrecken (vgl. Fig. 1 ) oder aber nur über einen gewissen Teil. Durch die Rissstorkontur 8 bzw. die Rippe 10 ist es möglich, die Gefahr der Entstehung bzw. die Gefahr des Wachstums eines Risses 9 zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer des Turbinengehäuses 2 bzw. des Abgasturboladers 1 auf jeden Fall gesteigert werden können. Dabei ist denkbar, dass die Rissstörkontur 8 beidseitig der Trennwand 5 angeordnet ist, wie dies gemäß der Fig. 1 dargestellt ist und damit in beide Abgasfluten 3, 4 hineinragt, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass die Rissstörkontur 8 sich in lediglich eine der beiden Abgasfluten 3, 4 erstreckt.

Im Unterschied zu den gemäß den Fig. 1 und 2 dargestellten Rissstörkonturen 8, kann auch denkbar sein, dass die Rissstörkontur 8 als Durchgangsöffnung 13 ausgebildet ist und ebenfalls über die gesamte Umfangsrichtung 1 1 der

Trennwand 5 verläuft oder aber nur über einen begrenzten Bereich der

Trennwand 5. Auch hierdurch lässt sich die Entstehung eines derartigen Risses 9 verhindern, zumindest aber erschweren. Durch eine derartige

Durchgangsöffnung 13 kann darüber hinaus eine Gewichtsreduzierung erreicht werden, was sich ebenfalls positiv auswirkt.

Betrachtet man die Fig. 3 und 4, so kann man eine besonders gestaltete

Rissstörkontur 8 in der Art von einer Durchgangsöffnung 13 erkennen, wobei die Durchgangsöffnung 13 derart ausgebildet ist, dass die Trennwand 5 zumindest im Bereich einer Zungenspitze 14 der Spiralzungen 6, 7 von diesen entkoppelt ist. Dabei gilt, dass die thermomechanische Verformung der Trennwand 5 und der beiden Spiralzungen 6, 7 im Betrieb während der Start-Stopp-Zyklen und den damit verbundenen Temperaturwechselzyklen entgegengesetzt gerichtet sind. Dies ist der Hauptgrund für die vergleichsweise hohe thermomechanische

Belastung im Bereich der Trennwand 5 und der Zungenspitzen 14. Durch die dargestellten Durchgangsöffnung 13 im Bereich der Zungenspitzen 14 wird somit eine thermomechanische Entkopplung der Zungenspitzen 14 und der Trennwand 5 erreicht, wodurch ein radialer Trennwandanriss in der Nähe der Spiralzungen 6, 7 bzw. der Zungenspitzen 14 vermieden werden kann. In diesem Fall besteht somit zwischen der jeweiligen Zungenspitze 14 und der Trennwand 5 ein

Abstand 15, wie dies, lediglich rein schematisch, in der Fig. 1 dargestellt ist. Betrachtet man die gemäß der Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 2 bzw. des erfindungsgemäßen

Abgasturboladers 1 , so kann man erkennen, dass auch hier eine als

Durchgangsöffnung 13 ausgebildete Rissstörkontur 8 vorgesehen ist, die jedoch einen symmetrischen, gaußglockenartigen Rand 16 aufweist. Dabei sind gemäß der Fig. 5 insgesamt drei derartige Rissstörkonturen 8 über den Umfang der Trennwand 5 verteilt angeordnet, wobei selbstverständlich auch mehr oder weniger solcher Rissstörkonturen 8 vorgesehen sein können. Lediglich im

Bereich der Zungenspitze 14 sollte eine derartige Rissstörkontur 8 bzw. eine solche Durchgangsöffnung 13 vorgesehen werden, da dort - wie im vorherigen Absatz beschrieben - während des Betriebs des Abgasturboladers 1 und der dabei auftretenden Start-Stopp-Zyklen die höchsten thermomechanischen Belastungen auftreten. Dabei kann selbstverständlich die gaußglockenartige Durchgangsöffnung 13 ebenfalls so im Bereich der Zungenspitze 14 angeordnet sein, dass diese thermomechanisch von der Trennwand 5 entkoppelt ist. Mit derartigen Durchgangsöffnungen 13 mit gaußglockenartigem Rand 16 bzw. normalverteilungsartigem Rand 16 kann die komplette Trennwand 5

thermomechanisch entlastet werden, da sich die durch die Durchgangsöffnungen teilweise geometrisch entkoppelten einzelnen Trennwandbereiche mit einer reduzierter Dehnungsbehinderung ausdehnen können, was zu einer Reduktion der thermomechanisch induzierten Spannungen führt. Dies ist von großem Vorteil, da die Trennwand 5 im Betrieb komplett von Heißgas umströmt ist und sich daher schneller aufheizt als die umgebende Turbinengehäusestruktur, was hohe thermomechanische Spannungen in der Trennwand 5 während der Start- Stop-Zyklen induziert. Das Design der Durchgangsöffnungen 13 ist dabei geometrisch so auszuführen, dass keine zusätzlichen thermomechanischen Risse aufgrund der konstruktiv eingebrachten Durchgangsöffnungen 13 in der Trennwand 5 initiiert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 lassen sich somit

thermodynamische (Ermüdungs-)risse 9 vermeiden oder zumindest deren Entstehen bzw. Wachstum reduzieren, wodurch sich nicht nur das Risiko für Durchrisse bzw. Leckagerisse auf ein Minimum reduzieren lässt, sondern auch der Einsatz von sogenannten TwinScroll-Turbinengehäusen, das heißt

Turbinengehäusen 2 mit zwei Abgasfluten 3, 4 auf lange Sicht hin zu höheren Abgastemperaturen verschoben werden kann. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Rissstörkontur 8 kann unabhängig von deren Ausführungsform, beispielsweise als Rippe 10 oder als Durchgangsöffnung 13, eine Material- und Gewichtsersparnis des Turbinengehäuses 2, insbesondere im Bereich der Trennwand 5 erreicht werden, da keine aufwendigen Erhöhungen der

Wandstärken der Trennwand 5 mehr erforderlich sind, um das Durchrissrisiko minimieren zu können. Auch lässt sich mit den erfindungsgemäßen

Rissstörkonturen 8 die Anzahl der erforderlichen thermomechanischen

Optimierungsschleifen reduzieren, wodurch der Simulations- und

Konstruktionsaufwand gesenkt werden kann. Von besonderer Bedeutung dürfte auch sein, dass die zur Bauteilfestigkeitssicherung erforderlichen Testversuche an einem Motor bzw. an einem Heißgasprüfstand reduziert werden können, wodurch ebenfalls eine Kostenersparnis erzielt werden kann.

Claims

Ansprüche

1 . Abgasturbolader (1 ) mit einem Turbinengehäuse (2) mit zwei Abgasfluten (3,4), die über eine Trennwand (5) voneinander getrennt sind, und mit zwei jeweils in eine zugehörige Abgasflut (3,4) reichenden Spiralzungen (6,7), dadurch gekennzeichnet,

dass an der Trennwand (5) zumindest im Bereich einer der beiden Spiralzungen (6,7) eine Rissstörkontur (8) angeordnet ist, die eine Entstehung und/oder ein Wachstum eines Risses (9) zumindest behindert.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zumindest eine Rissstörkontur (8) als verdickte und in zumindest eine, vorzugsweise in beide Abgasfluten (3,4) ragende Rippe (10) ausgebildet ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass sich die Rippe (10) in Umfangsrichtung (1 1 ) der Trennwand (5) erstreckt und gekrümmt ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Rippe (10) eine Höhe h aufweist, die größer ist als die Dicke d der Rippe (10).

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Rippe (10) über schräge Flanken (12) in die Trennwand (5) übergeht.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Rissstörkontur (8) als Durchgangsöffnung (13) ausgebildet ist.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass sich die Durchgangsoffnung (13) in Umfangsnchtung (1 1 ) der Trennwand (5) erstreckt und gekrümmt ist.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Durchgangsoffnung (13) die Trennwand (5) von zwei Zungenspitzen (14) der beiden Spiralzungen (6,7) entkoppelt.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Rissstörkontur (8) als eine sich in Radialrichtung erstreckende Durchgangsoffnung (13) an der Trennwand (5) ausgebildet ist und einen symmetrischen, gaußglockenartigen Rand (16) aufweist.