WO2020070163A1 - Abgasturbolader, der einen stahl-werkstoff für hochtemperatur-anwendungen aufweist - Google Patents

Abgasturbolader, der einen stahl-werkstoff für hochtemperatur-anwendungen aufweist

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WO2020070163A1
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Martin Thomas
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Definitions

  • Exhaust gas turbocharger made of a steel material for high-temperature applications
  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger, the one
  • Steel material for high-temperature applications in particular a steel material that is suitable for use at high temperatures up to over 1000 ° C.
  • the principle of operation of an exhaust gas turbocharger is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase the pressure in the intake tract of the internal combustion engine and thus to better fill the combustion chamber with air-oxygen and thus more fuel, gasoline or diesel, per combustion process to be able to implement, so to increase the performance of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine, a fresh air compressor arranged in the intake tract and an intermediate rotor bearing.
  • the exhaust gas turbine has a turbine housing and a turbine impeller arranged therein, driven by the exhaust gas flow.
  • the fresh air compressor has a compressor housing and a compressor impeller which is arranged therein and builds up a boost pressure.
  • the turbine impeller and the compressor impeller are rotatably arranged on the opposite ends of a common shaft, the so-called rotor shaft, and thus form the so-called turbocharger rotor.
  • the rotor shaft extends axially between the turbine impeller and the compressor impeller through the rotor bearing arranged between the exhaust gas turbine and the fresh air compressor, and is axially and axially rotatably supported therein in relation to the rotor shaft.
  • the turbine impeller driven by the exhaust gas mass flow drives the compressor impeller via the rotor shaft, as a result of which the pressure in the intake tract of the internal combustion engine, based on the
  • Air-oxygen is effected.
  • a device is usually provided in the turbine housing in order to influence the gas mass flow flowing from the turbine impeller.
  • this is a so-called wastegate valve, on the other hand, a so-called variable turbine geometry (VTG).
  • the exhaust gas mass flow can be directed past the turbine impeller directly into the exhaust tract downstream of the exhaust gas turbine via a wastegate valve, whereas the direction and the amount of the exhaust gas mass flow impinging on the turbine impeller can be influenced via the variable turbine geometry.
  • Wastega te valve or the variable turbine geometry is set so that the speed of the turbine and compressor impeller and the pressure ratio, in particular on the exhaust gas turbine, are kept within the desired working range of the exhaust gas turbocharger can be.
  • the exhaust gas temperatures are kept as high as possible. Due to the hot exhaust gases flowing through the turbine housing, this and the components arranged in the exhaust gas mass flow are subjected to a thermal alternating stress with temperatures of over 1000 ° C. Furthermore, there is a demand for high strength and dimensional stability of the components with the lowest possible weight, that is, a reduced use of materials.
  • steel materials with mostly partially austenitic structures and in particular a high nickel content of up to 40% have been used.
  • Such materials are, for example, cast steel materials with the short designation 1.4848 (GX40CrNiSi25-20) and 1.4849
  • the material 1.4848 is characterized by the following material composition: 0.3-0.5% C; 1.0-2.5% Si; Max . 2.0% Mn; max.0.04% P; max 0.03% S; 24.0-27.0% Cr; max 0.5% Mo; 19, 0-22, 0% Ni; Rest of Fe.
  • the material 1.4849 shows the following work
  • the high nickel content increases the strength and durability of the materials, especially at operating temperatures up to 1050 ° C.
  • nickel is a relatively expensive material, which is why cheaper alternatives are sought.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying an exhaust gas turbocharger having a steel material for high-temperature applications, which is characterized by low material costs, in particular in the case of a low nickel content of the material, in a temperature range up to over 1050 ° C. by sufficient strength and creep resistance for distinguishes the use in connection with internal combustion engines.
  • an exhaust gas turbocharger with a turbine housing is provided with a receiving area for a turbine impeller of the gas turbocharger arranged centrally to a turbine housing axis and at least one turbine spiral channel tapering helically towards the receiving area for the turbine impeller, with a wastegate valve with a spindle arm in the turbine housing and a flap plate arranged thereon, or a variable exhaust gas guide device with bearing disks and guide vanes is arranged, at least one of the components: turbine housing, spindle arm and valve plate, or bearing disks and guide vane, comprising a steel material for high-temperature applications, the material composition of which, apart from iron, Fe has at least the following alloy components in amounts within the specified limits in percent by weight:
  • Chromium, Cr 19.5-20.5%
  • Nickel, Ni 5.0-0.0.0%
  • Niobium, Nb 1.00-1.5%.
  • At least one of the quantitative proportions of the alloy components silicon and manganese can be set within narrow limits, so that at least one of these components is added at least in quantities within the following limits in percent by weight:
  • the amount of manganese can in particular also be further limited to a proportion of 9.0-12%.
  • the ge called alloy is characterized by high heat resistance with simultaneous corrosion resistance, especially in the aggressive, hot exhaust gases of an internal combustion engine.
  • the material composition according to the invention can be supplemented by adding at least one of the further alloy constituents mentioned below, in proportions up to a maximum of the amounts indicated in percent by weight:
  • Tungsten, W up to 0.6%
  • Vanadium, V up to 0.12%
  • Copper, Cu up to 0.25%
  • Co up to 1.0%
  • Phosphorus, P up to 0.04%.
  • this can have a positive effect on various secondary material properties of the alloy, such as machinability, weldability, castability, etc.
  • unavoidable impurities can be contained in quantities that are negligible in terms of material properties.
  • the steel material used in the exhaust gas turbocharger according to the invention is shows that it has at least one of the above-mentioned further alloy components added to the alloy in proportions of at least the stated amounts in percent by weight:
  • Vanadium, V at least 0.06%
  • Copper, Cu at least 0.1%
  • Cobalt Co: at least 0.5%
  • Phosphorus, P at least 0.02%.
  • W between 0.3 to 0.6%
  • V between 0.06 to 0.12%
  • Cu between 0.1 to 0.25%
  • Co between 0.5 to 1.0%
  • the steel material has at least one of these further elements in a quantity within the specified quantity range.
  • the steel material can also have two, three, four, five or all of the other elements mentioned in quantities within the specified limits.
  • the high manganese content as well as the further alloy components contribute to the further increase of the desired material properties and in particular cause a progressive conversion of ferrite to austenite at higher material temperatures. In addition, the corrosion resistance is increased.
  • a further characteristic of the steel material used in the exhaust gas bolader according to the invention is accordingly characterized in that the steel material has a completely austenitic structure. This leads to a significant reduction in the formation of sigma phases in the Material structure and contributes to achieving and stabilizing the desired material properties.
  • the material properties required for use in turbine housings for exhaust gas turbochargers with respect to the minimum plug-in limit, the tensile strength and the corrosion resistance are achieved, while at the same time the nickel is greatly reduced in comparison with conventional high-temperature materials. Share and thus reduced material costs.
  • the exhaust-gas turbocharger has a turbine housing with a receiving area for a turbine impeller of the exhaust-gas turbocharger, which is arranged centrally to a turbine housing axis, and at least one exhaust-gas spiral channel that tapers towards the receiving area for the turbine-impeller.
  • a wastegate valve with a spindle arm and a flap plate arranged thereon or a variable exhaust gas guide device VTG with bearing disks and guide vanes are arranged in the turbine housing. This essentially corresponds to an arrangement as already described in the introduction.
  • the exhaust gas turbocharger according to the invention is characterized in that at least one of the components: turbine housing, spindle arm and flap plate, or bearing washers and guide vane, has a steel material according to the invention with an alloy composition, as described in one of the embodiments described above.
  • a corresponding exhaust gas turbocharger is characterized by an increased service life with increased operational reliability. This is achieved through materials optimized for the application Properties of the components mentioned, in particular with regard to the high temperature strength, at the same time, compared to conventional components made of high-alloy nickel alloys, reduced price.
  • Figure 1 is a schematic simplified representation of a
  • Figure 2 is a three-dimensional representation of an exhaust gas charger with variable exhaust gas guide, in a quarter-sectional view.
  • a conventional exhaust gas turbocharger 1 As a rule, a conventional exhaust gas turbocharger 1, as shown in FIGS. 1 and 2, has a multi-part structure. There are one in the exhaust system of the internal combustion engine
  • Turbine housing 20 that can be arranged, a compressor housing 30 that can be arranged in the intake tract of the internal combustion engine, and a bearing housing 40 arranged one behind the other on a common turbocharger axis 2 between the turbine housing 20 and the compressor housing 30. organizes and connects with each other in terms of assembly.
  • a further structural unit of the exhaust gas turbocharger 1 is the turbocharger rotor 10, which has a rotor shaft 14, a turbine impeller 12 arranged in the turbine housing 20 and a compressor impeller 13 arranged in the compressor housing 30.
  • the turbine impeller 12 and the compressor impeller 13 are arranged on the opposite ends of the common rotor shaft 14 and rotatably connected to them.
  • the rotor shaft 14 extends axially through the bearing housing 40 in the direction of the turbocharger axis 2 and is rotatably supported axially and radially about its longitudinal axis, the rotor axis of rotation 15, wherein the rotor axis of rotation 15 lies in the turbocharger axis 2, that is to say coincides therewith.
  • the turbine housing axis 2a is also in line with the rotor axis of rotation 15 and the turbocharger axis 2.
  • the exhaust gas mass flow AM through the turbine housing 20 and the fresh air mass flow FM through the compressor housing 30 are each shown with corresponding arrows.
  • the turbine housing 20 has a turbine spiral channel 22, a so-called exhaust gas flow, which is arranged in a ring around the turbocharger axis 2 and the receiving area of the turbine impeller 12, in a helical manner tapering towards the receiving area and the turbine impeller 12, a so-called exhaust gas flow.
  • This exhaust gas flow has a tangentially outwardly directed exhaust gas supply channel 23 with a bend
  • the exhaust gas flow also has an at least part of the inner circumference annular gap opening, the so-called exhaust gas inlet gap 25, which extends in at least a proportionally radial direction towards the turbine impeller 12 and through which the exhaust gas mass flow AM flows onto the turbine impeller 12.
  • the turbine housing 20 furthermore has an exhaust gas discharge duct 26 which runs away from the axial end of the turbine impeller 12 in the direction of the turbocharger axis 2 and has an outlet puff connection piece 27 for connection to the exhaust system (not shown) of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas mass flow AM emerging from the turbine impeller 12 is discharged into the exhaust system of the internal combustion engine via this exhaust gas discharge duct 26.
  • the steel material SWst according to the invention, which characterizes the turbine housing 20 and from which the turbine housing 20 is made, is symbolized by the cross hatching.
  • a wastegate valve 29 connects the exhaust gas supply duct 23 in the flow direction of the exhaust gas mass flow AM in front of the turbine impeller 12 to the exhaust gas discharge duct 26 in the flow direction of the exhaust gas mass flow AM behind the turbine impeller 12 via a wastegate duct 291 in the turbine housing 20.
  • the wastegate valve 29 can be closed via a closing device, can be opened or closed.
  • This locking device has a spindle arm 292 which is rotatably mounted in the turbine housing 20 and on which a flap plate 293 is arranged. Both spindle arm 292 and the Klap penteller 293 are made in this example from the steel material SWst according to the invention.
  • the flap plate 293 is placed or closed to close or open the wastegate valve 29 in a sealing manner on the valve seat 294 of the wastegate channel 291.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an exhaust gas turbocharger 1 with an exhaust gas guide device, here a variable turbine geometry 50, also referred to as VTG for short.
  • the basic structure of the exhaust gas turbocharger 1 with the turbine housing 20, the compressor housing 30, the bearing housing 40 and the turbocharger rotor 10 essentially corresponds to the exhaust gas turbocharger 1 shown in FIG. Instead of a wastegate valve, however, a VTG 50 is provided here.
  • This consists essentially of two annular bearing disks 51, 52, which are arranged at a certain distance from one another in the annular gap-shaped transition region between the turbine spiral duct 22 and the turbine impeller 12 and thus form the exhaust gas inlet gap 25.
  • Both the turbine housing 20 and the bearing disks 51, 52 and the guide vanes 53 in this embodiment consist of the steel material SWst according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (21) mit einem zentrisch zu einer Turbinengehäuseachse (2a) angeordneten Aufnahmebereich für ein Turbinenlaufrad (12) des Abgasturboladers (1) und zumindest einem, sich schneckenförmig zum Aufnahmebereich für das Turbinenlaufrad (12) hin verjüngenden, Turbinen-Spiralkanal (22), wobei im Turbinengehäuse ein Wastegate-Ventil mit einem Spindelarm und einem daran angeordneten Klappenteller, oder eine variable Abgasleiteinrichtung mit Lagerscheiben und Leitschaufein angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile: Turbinengehäuse, Spindelarm und Klappenteller, oder Lagerscheiben und Leitschaufein, einen Stahl-Werkstoff (21a) für Hochtemperatur-Anwendungen aufweist, dessen Werkstoffzusammensetzung außer Eisen, Fe, zumindest folgende Legierungsbestandteile in Mengen in den angegebenen Grenzen in Gewichtsprozent aufweist: Kohlenstoff, C: 0,4-0,5%; Silizium, Si: 1,25-1,75%; Mangan, Mn: 3,0-12,0%; Chrom, Cr: 19,5-20,5%; Nickel, Ni: 5,0-6,0%; Niob, Nb: 1,00-1,5%. Diese Werkstoffzusammensetzung gewährleistet eine ausreichende Temperaturfestigkeit der Bauteile, bei gleichzeitig gegenüber anderen Hochtemperatur-Werkstoffen niedrigem Nickelanteil und reduziertem Preis.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader, der einen Stahl-Werkstoff für Hochtempera tur-Anwendungen aufweist
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, der einen
Stahl-Werkstoff für Hochtemperatur-Anwendungen aufweist, insbesondere einen Stahl-Werkstoff, der sich zum Einsatz bei hohen Temperaturen bis über 1000°C eignet.
Die Entwicklung neuer Technologien sowie die Weiterentwicklung entsprechender Vorrichtungen und Verfahren hin zu höherer Leistung und Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung des Ressourceneinsatzes gehen sehr häufig einher mit gesteigerten Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe in Bezug auf Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit. Des Weiteren spielt beim industriellen Einsatz natürlich auch der Preis eine bedeutende Rolle.
Einer solchen technologischen Herausforderung, die immer höhere Anforderungen stellt, ist traditionell der Fahrzeugbau und insbesondere die Entwicklung der darin eingesetzten Verbren nungsmotoren unterworfen.
Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schad stoff-Ausstoßes bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Leistung des Verbrennungsmotors werden vermehrt kleinvolumige Motorkonzepte, sogenannte Downsizing-Konzepte, zugrunde gelegt, die zur Leistungssteigerung mit Abgasturboladern ausgestattet sind. Hierbei stellen insbesondere bei Otto-Verbrennungsmotoren die vorherrschenden hohen Abgastemperaturen bis über 1000 °C eine starke Herausforderung für die in der Abgasturbine eingesetzten Werkstoffe dar. Hierbei besteht die Tendenz, die Betriebs temperaturen weiter zu steigern, um die bei der Verbrennung entstehende Wärmeenergie effizienter nutzen zu können. Weiterhin besteht auch bei Otto-Verbrennungsmotoren die Tendenz hin zu einem mageren Betrieb mit Lambda nahe 1, wodurch die Abgas- temperaturen zusätzlich steigen. Die thermische Belastung der im Abgasbereich, also auch im Turbolader, eingesetzten Werkstoffe steigt also.
Das Wirkprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um den Druck im An saugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungs vorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbren nungsmotors zu erhöhen.
Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Ver brennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen ange ordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbi nengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmas senstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluft verdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin ange ordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf . Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der soge nannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwel lenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den
Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit
Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
Weiterhin ist im Turbinengehäuse in der Regel eine Einrichtung vorgesehen um den auf das Turbinenlaufrad strömenden Ab gas-Massenstrom zu beeinflussen. Hier gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Einrichtungen, die wahlweise vorgesehen werden. Zum einen ist dies ein sogenanntes Wastegate-Ventil , zum anderen eine sogenannte Variable Turbinengeometrie (VTG) .
Über ein Wastegate-Ventil kann der Abgasmassenstrom bei Bedarf am Turbinenlaufrad vorbei direkt in den Abgastrakt stromabwärts der Abgasturbine geleitet werden, wogegen über die Variable Turbinengeometrie die Richtung und die Menge des auf das Turbinenlaufrad auftreffenden Abgasmassenstroms beeinflusst werden kann.
Je nach Drehzahl und Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird in Abhängigkeit von den Lastanforderungen das Wastega te-Ventil bzw. die Variable Turbinengeometrie so eingestellt, dass die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis, insbesondere an der Abgasturbine, innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers gehalten werden kann.
Um die bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor entstehende Wärmeenergie mit höheren Wirkungsgraden durch den Abgastur bolader nutzen zu können, werden, wie bereits erwähnt, die Abgastemperaturen möglichst hoch gehalten. Durch die heißen Abgase, die durch das Turbinengehäuse strömen, wird dieses und die im Abgasmassenstrom angeordneten Bauteile mit einer thermischen Wechselbeanspruchung mit Temperaturen bis über 1000°C beaufschlagt. Des Weiteren besteht die Forderung nach hoher Festigkeit und Formbeständigkeit der Bauteile bei einem möglichst geringen Gewicht, also einem reduzierten Material einsatz .
Um diese hohen Anforderungen erfüllen zu können wurden bisher Stahl-Werkstoffe mit zumeist teilweise austenitischem Gefüge und insbesondere einem hohen Nickelgehalt bis zu 40% eingesetzt. Solche Werkstoffe sind zum Beispiel Stahlguss-Werkstoffe mit der Kurzbezeichnung 1.4848 (GX40CrNiSi25-20) und 1.4849
(GX40NiCrSiNb38-l 9) . Dabei zeichnet sich der Werkstoff 1.4848 durch die folgende Werkstoff-Zusammensetzung aus: 0,3-0, 5% C; 1,0-2, 5% Si; max . 2,0% Mn; max.0,04% P; max.0,03% S; 24,0-27,0% Cr; max.0,5% Mo; 19, 0-22, 0% Ni; Rest Fe.
Der Werkstoff 1.4849 weist die folgende Werk
stoff-Zusammensetzung auf: 0,3-0, 5% C; 1,0-2, 5% Si; max . 2,0% Mn ; max.0,03% S; 18,0-21,0% Cr; max.0,5% Mo; 36,0-39,0% Ni;
1,2-1, 8%Nb; Rest Fe.
Der hohe Nickelgehalt erhöht die Festigkeit und Haltbarkeit der Werkstoffe insbesondere bei Betriebstemperaturen bis zu 1050°C. Jedoch ist Nickel ein verhältnismäßig teurer Werkstoff, weshalb kostengünstigere Alternativen gesucht werden.
Ein weiterer hochwarmfester Werkstoff mit sehr niedrigem Ni ckelanteil, der insbesondere eingesetzt wird im Druck und Dampfkesselbau sowie in Luft- und Raumfahrttechnik und Tur binenbau ist der Werkstoff 1.4923 (X22CrMoV12-l ) , der folgende Zusammensetzung aufweist: 0,18-0,24% C; 11,0-12,5% Cr; 0,3-0, 8% Ni; 0,8-1, 2% V; Rest Fe. Bei diesem Werkstoff wirdeine Erhöhung der Zeitdehn- und Zeitstandfestigkeit durch den Vanadium-Anteil und den erhöhten Molybdänzusatz bewirkt. Die Festigkeitswerte fallen jedoch bereits bei Temperaturen über 500°C erheblich ab, was die Verwendung für Abgasturbinengehäuse, wie oben be schrieben, erheblich einschränkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einen Stahl-Werkstoff für Hochtemperatur-Anwendungen aufweisenden Abgasturbolader anzugeben, der sich durch niedrige Materialkosten, also insbesondere bei niedrigem Nickelanteil des Werkstoffes, in einem Temperaturbereich bis über 1050°C durch ausreichend Festigkeit und Zeitstandfestigkeit für den Einsatz in Verbindung mit Verbrennungsmotoren auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiter bildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasturbolader mit einem Turbinen gehäuse mit einem zentrisch zu einer Turbinengehäuseachse angeordneten Aufnahmebereich für ein Turbinenlaufrad des Ab gasturboladers und zumindest einem, sich schneckenförmig zum Aufnahmebereich für das Turbinenlaufrad hin verjüngenden Turbinen-Spiralkanal offenbart, wobei im Turbinengehäuse ein Wastegate-Ventil mit einem Spindelarm und einem daran ange ordneten Klappenteller, oder eine variable Abgasleiteinrichtung mit Lagerscheiben und Leitschaufein angeordnet ist, wobei zumindest eines der Bauteile: Turbinengehäuse, Spindelarm und Klappenteller, oder Lagerscheiben und Leitschaufein, einen Stahl-Werkstoff für Hochtemperatur-Anwendungen aufweist, dessen WerkstoffZusammensetzung außer Eisen, Fe zumindest folgende Legierungsbestandteile in Mengen in den angegebenen Grenzen in Gewichtsprozent aufweist:
Kohlenstoff, C: 0, 4-0,5%;
Silizium, Si: 1,25-1,75%;
Mangan, Mn : 3,0-12,0%;
Chrom, Cr: 19,5-20,5%;
Nickel, Ni: 5, 0-6,0%;
Niob, Nb: 1,00-1,5%.
In weiterer Ausführung des beim erfindungsgemäßen Abgastur bolader verwendeten Stahl-Werkstoffs kann insbesondere zu mindest einer der Mengenanteile der Legierungsbestandteile Silizium und Mangan in engere Grenzen gefasst werden, so dass zumindest einer dieser Bestandteile zumindest in Mengen in den folgenden Grenzen in Gewichtsprozent zugefügt wird:
Silizium, Si: 1,35-1,65%;
Mangan, Mn: 7,0-12,0%.
Die Menge an Mangan kann insbesondere auch weiter, auf einen Anteil von 9, 0 - 12%, eingegrenzt werden.
Damit können die gewünschten Werkstoffeigenschaften auf höherem Niveau mit höherer Zuverlässigkeit erzielt werden. Bei den oben angegebenen Legierungszusammensetzungen sind gegenüber bekannten Stahlwerkstoffen für Hochtempera
tur-Anwendungen insbesondere die in Kombination erhöhten Anteile an Mangan, Chrom und Niob, bei moderater Zugabe von Nickel für die erzielten Werkstoffeigenschaften verantwortlich. Die ge nannte Legierung zeichnet sich dabei durch hohe Warm-Festigkeit bei gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit insbesondere in den aggressiven, heißen Abgasen eines Verbrennungsmotors aus.
Weiterhin können, zur Erzielung bestimmter Eigenschaften ggf. zusätzliche Legierungsbestandteile zugefügt sein. So kann die erfindungsgemäße WerkstoffZusammensetzung beispielsweise durch Zugabe von zumindest einer der im Folgenden genannten weiteren Legierungsbestandteile, in Anteilen bis zu maximal den jeweils angegebenen Mengen in Gewichtsprozent, ergänzt sein:
Wolfram, W: bis zu 0,6%;
Vanadium, V: bis zu 0,12%;
Kupfer, Cu: bis zu 0,25%;
Kobalt, Co: bis zu 1,0%;
Schwefel, S: bis zu 0,03% und
Phosphor, P: bis zu 0,04%.
Das heißt, zumindest eines dieser Elemente wird in messbarer Menge, jedoch in einer Menge bis zu der jeweils angegebenen Grenze zugegeben. Es können jedoch auch zwei, drei, vier, fünf oder alle dieser Elemente in unterschiedlicher Kombination, jedes jedoch nur in einer Menge bis zu der jeweils angegebenen Grenze, zugegeben werden.
Dies kann, je nach Kombination, verschieden sekundäre Werk stoffeigenschaften der Legierung, wie zum Beispiel die Zer spanbarkeit, die Schweißbarkeit, die Gießbarkeit etc., positiv beeinflussen .
Darüber hinaus können unvermeidbare Verunreinigungen in Men genanteilen, die in Bezug auf die Werkstoffeigenschaften vernachlässigbar sind, enthalten sein.
In weiter verfeinerter Ausführung ist der beim erfindungsgemäßen Abgasturbolader verwendete Stahl-Werkstoff dadurch gekenn- zeichnet, dass er den zumindest einen der oben genannten, der Legierung zugefügten weitere Legierungsbestandteile in Anteilen von jeweils zumindest den angegebenen Mengen in Gewichtsprozent aufweist :
Wolfram, W: zumindest 0,3%;
Vanadium, V: zumindest 0,06%;
Kupfer, Cu: zumindest 0,1%;
Kobalt, Co: zumindest 0,5%;
Schwefel, S: zumindest 0,013% und
Phosphor, P: zumindest 0,02%.
So ergibt sich, in Kombination mit den zuvor festgelegten Obergrenzen der Zugabemengen der weiteren Legierungsbestand teile jeweils ein Mengenbereich:
für Wolfram, W: zwischen 0,3 bis 0,6%;
für Vanadium, V: zwischen 0,06 bis 0,12%;
für Kupfer, Cu: zwischen 0,1 bis0,25%;
für Kobalt, Co: zwischen 0,5 bis 1,0%;
für Schwefel, S: zwischen 0,013 bis 0,03% und
für Phosphor, P: zwischen 0,02 bis 0,04%.
Dabei weist der Stahl-Werkstoff zumindest eines dieser weiteren Elemente in einer Menge innerhalb des angegebenen Mengenbereichs auf. Der Stahl-Werkstoff kann jedoch auch zwei, drei, vier, fünf oder alle der genannten weiteren Elemente in Mengen innerhalb der angegebenen Grenzen aufweisen.
Der hohe Mangananteil sowie die weiteren Legierungsbestandteile tragen zur weiteren Steigerung der gewünschten Werkstoffei genschaften bei und bewirken insbesondere eine fortschreitende Umwandlung von Ferrit in Austenit bei erhöhten Werkstofftem- peraturen. Darüber hinaus ist die Korrosionsbeständigkeit erhöht .
Eine weitere Ausprägung des beim erfindungsgemäßen Abgastur bolader verwendeten Stahl-Werkstoffs ist demnach dadurch ge kennzeichnet, dass der Stahl-Werkstoff ein vollständig aus- tenitisch ausgebildetes Gefüge, aufweist. Dies führt zu einer signifikanten Reduktion der Bildung von Sigma-Phasen im Werkstoffgefüge und trägt zur Erzielung und Stabilisierung der gewünschten Werkstoffeigenschaften bei.
Mit der angegebenen WerkstoffZusammensetzung des beim erfin dungsgemäßen Abgasturbolader verwendeten Stahl-Werkstoffes werden die für den Einsatz bei Turbinengehäusen für Abgas turbolader erforderlichen Materialeigenschaften in Bezug auf die Mindeststeckgrenze, die Zugfestigkeit und die Korrosionsbe ständigkeit erzielt bei gleichzeitig gegenüber bisher ge bräuchlichen Hochtemperaturwerkstoffen stark reduziertem Ni ckel-Anteil und somit reduzierten Materialkosten.
Dies wird unter anderem dadurch erzielt, dass die Legie rungsbestandteile in Zusammensetzung und Menge so aufeinander abgestimmt und ggf. in engen Grenzen definiert sind, dass ein hoher Anteil an austenitischem Gefüge, ausgebildet ist, im Idealfall bis zu 100%.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist ein Turbinengehäuse mit einem zentrisch zu einer Turbinengehäuseachse angeordneten Aufnahmebereich für ein Turbinenlaufrad des Abgasturboladers und zumindest einem, sich schneckenförmig zum Aufnahmebereich für das Turbinenlaufrad hin verjüngenden, Abgas-Spiralkanal auf. Im Turbinengehäuse ist ein Wastegate-Ventil mit einen Spindelarm und einem daran angeordneten Klappenteller oder eine variable Abgasleiteinrichtung VTG mit Lagerscheiben und Leitschaufein angeordnet. Dies entspricht im Wesentlichen einer Anordnung wie einleitend bereits beschrieben. Der erfindungsgemäße Abgas turbolader ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile: Turbinengehäuse, Spindelarm und Klappenteller, oder Lagerscheiben und Leitschaufein, einen erfindungsgemäßen Stahl-Werkstoff mit einer Legierungszusammensetzung, wie in einer der vorausgehend beschriebenen Ausführungen beschrieben, aufweist .
Ein entsprechender Abgasturbolader zeichnet sich durch eine erhöhte Lebensdauer bei erhöhter Betriebssicherheit aus. Dies wird erzielt durch für den Einsatzfall optimierte Werkstof- feigenschaften der genannten Bauteile, insbesondere in Bezug auf die Hochtemperaturfestigkeit, bei gleichzeitig, gegenüber herkömmlichen Bauteilen aus hochlegierten Nickel-Legierungen, reduziertem Preis.
Die Merkmale und Merkmalskombinationen der vorstehend in der Beschreibung genannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, einzeln, zum Teil oder insgesamt, auch in gegenseitiger Kombination oder gegenseitiger Ergänzung, in Fortbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands anzuwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Entsprechende Ausführungen erfindungsgemäßer Abgasturbolader werden mit Hilfe der Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines
Abgasturboladers mit Wastegate-Ventil , in Halb schnittdarstellung, und
Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung eines Abgastur boladers mit variabler Abgasleiteinrichtung, in ViertelSchnittdarstellung .
Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Anhand der Figur ist der prinzipielle Aufbau eines Abgastur boladers 1, mit einem Wastegate-Ventil, wie einführend bereits grob beschrieben, in schematisch vereinfachter Halb
schnitt-Darstellung gezeigt.
In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors
anordenbares Turbinengehäuse 20, ein im Ansaugtrakt des Ver brennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 30 und zwischen Turbinengehäuse 20 und Verdichtergehäuse 30 ein Lagergehäuse 40 auf einer gemeinsamen Turboladerachse 2 hintereinander ange- ordnet und montagetechnisch miteinander verbunden. Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der eine Läuferwelle 14, ein in dem Turbinengehäuse 20 angeordnetes Turbinenlaufrad 12 und ein in dem Verdichtergehäuse 30 angeordnetes Verdichterlaufrad 13 aufweist. Das Turbinen laufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 an geordnet und mit diesen drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 40 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Turboladerachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt. Dabei liegt auch die Turbinengehäuseachse 2a in einer Linie mit der Läuferdrehachse 15 und der Turbolader achse 2. Der Abgasmassenstrom AM durch das Turbinengehäuse 20 und der Frischluftmassenstrom FM durch das Verdichtergehäuse 30 sind jeweils mit entsprechenden Pfeilen dargestellt.
Das Turbinengehäuse 20 weist einen, in anderen Ausführungen ggf. auch mehrere, ringförmig um die Turboladerachse 2 und den Aufnahmebereich des Turbinenlaufrads 12 angeordneten, sich schneckenförmig zum Aufnahmebereich und dem Turbinenlaufrad 12 hin verjüngenden Turbinen-Spiralkanal 22, eine sogenannte Abgasflute, auf. Diese Abgasflute weist einen tangential nach außen gerichteten Abgaszuführkanal 23 mit einem Krüm
mer-Anschlussstutzen 24 zum Anschluss an einen Abgaskrümmer (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf, durch den der Abgasmassenstrom AM in die jeweilige Abgasflute strömt. Die Abgasflute weist weiterhin eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Ringspaltöffnung, den sogenannten Abgas-Eintrittsspalt 25, auf, der in zumindest anteilmäßig radialer Richtung auf das Turbinenlaufrad 12 hin gerichtet verläuft und durch den der Abgasmassenstrom AM auf das Tur binenlaufrad 12 strömt.
Das Turbinengehäuse 20 weist weiterhin einen Abgasabführkanal 26 auf, der vom axialen Ende des Turbinenlaufrades 12 weg in Richtung der Turboladerachse 2 verläuft und einen Aus- puff-Anschlussstutzen 27 zum Anschluss an das AuspuffSystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist. Über diesen Abgasabführkanal 26 wird der aus dem Turbinenlaufrad 12 aus tretende Abgasmassenstrom AM in das AuspuffSystem des Ver brennungsmotors abgeführt. Der das Turbinengehäuse 20 kenn zeichnende erfindungsgemäße Stahl-Werkstoff SWst, aus dem das Turbinengehäuse 20 gefertigt ist, ist dabei durch die Kreuz schraffur symbolisiert.
Ein Wastegate-Ventil 29 verbindet den Abgaszuführkanal 23 in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms AM vor dem Turbinen laufrad 12 mit dem Abgasabführkanal 26 in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms AM hinter dem Turbinenlaufrad 12 über einen Wastegatekanal 291 im Turbinengehäuse 20. Das Wastegate-Ventil 29 kann über eine Schließvorrichtung, geöffnet oder gelschlossen werden. Diese Schließvorrichtung weist einen im Turbinengehäuse 20 drehgelagerten Spindelarm 292 auf, an dem ein Klappenteller 293 angeordnet ist. Sowohl Spindelarm 292 als auch der Klap penteller 293 sind in diesem Beispiel aus dem erfindungsgemäßen Stahl-Werkstoff SWst hergestellt. Durch Betätigung des Spin delarms 292 mittels eines externen Aktuators (nicht darge stellt) , wird der Klappenteller 293 zum Schließen bzw. zum Öffnen des Wastegate-Ventils 29 dichtend auf den Ventilsitz 294 des Wastegatekanals 291 aufgelegt oder von diesem abgehoben.
Figur 2 zeigt dagegen eine Ausführung eines Abgasturboladers 1 mit einer Abgasleiteinrichtung, hier einer Variablen Turbi nengeometrie 50, auch kurz als VTG bezeichnet. Der prinzipielle Aufbau des Abgasturboladers 1 mit Turbinengehäuse 20, Ver dichtergehäuse 30, Lagergehäuse 40 und dem Turboladerläufer 10 stimmt dabei im Wesentlichen mit dem in Figur 1 gezeigten Abgasturbolader 1 überein. Statt eines Wastegate-Ventils ist hier jedoch eine VTG 50 vorgesehen. Diese besteht im Wesentlichen aus zwei ringförmigen Lagerscheiben 51, 52, die in einem be stimmten Abstand zueinander in dem ringspaltförmigen Über gangsbereich zwischen dem Turbinen-Spiralkanal 22 und dem Turbinenlaufrad 12 angeordnet sind und so den Ab- gas-Eintrittsspalt 25 bilden. Zwischen den Lagerscheiben 51, 52 sind im Abgas-Eintrittsspalt 25, über den Umfang des Ab- gas-Eintrittsspalts verteilt, mehrere Leitschaufein angeordnet. Diese sind zumindest in einer der Lagerscheiben drehgelagert aufgenommen und ihre Drehlage kann mittels einer auf der Rückseite dieser Lagerscheibe angeordneten Betätigungsmechanik 55 und einem externen Aktuator (nicht dargestellt) eingestellt werden. Sowohl das Turbinengehäuse 20 als auch die Lagerscheiben 51, 52 und die Leitschaufein 53 bestehen bei dieser Ausführung aus dem erfindungsgemäßen Stahl-Werkstoff SWst.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (21) mit einem zentrisch zu einer Turbinengehäuseachse (2a) angeordneten Aufnahmebereich für ein Turbinenlaufrad (12) des Abgasturbo laders (1) und zumindest einem, sich schneckenförmig zum Aufnahmebereich für das Turbinenlaufrad (12) hin verjüngenden, Turbinen-Spiralkanal (22),
wobei im Turbinengehäuse ein Wastegate-Ventil mit einem
Spindelarm und einem daran angeordneten Klappenteller, oder eine variable Abgasleiteinrichtung mit Lagerscheiben und Leitschaufein angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile: Turbinengehäuse, Spindelarm und Klappenteller, oder Lager scheiben und Leitschaufein, einen Stahl-Werkstoff (21a) für Hochtemperatur-Anwendungen aufweist, dessen WerkstoffZusam mensetzung außer Eisen, Fe, zumindest folgende Legierungsbe standteile in Mengen in den angegebenen Grenzen in Gewichts prozent aufweist:
Kohlenstoff, C: 0, 4-0,5%;
Silizium, Si: 1,25-1,75%;
Mangan, Mn : 3,0-12,0%;
Chrom, Cr: 19,5-20,5%;
Nickel, Ni: 5, 0-6,0%;
Niob, Nb: 1,00-1,5%.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff zumindest einen der angegebenen Legie rungsbestandteile zumindest in Mengen in den folgenden Grenzen in Gewichtsprozent aufweist:
Silizium, Si: 1,35-1,65%;
Mangan, Mn: 7,0-12,0%, insbesondere 9,0-12%.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Stahlwerkstoff zumindest einen der weiteren Legierungsbestandteile in Anteilen bis zu maximal den ange gebenen Mengen in Gewichtsprozent enthält:
Wolfram, W: bis zu 0,6%; Vanadium, V: bis zu 0,12%;
Kupfer, Cu: bis zu 0,25%;
Kobalt, Co: bis zu 1,0%;
Schwefel, S: bis zu 0,03% und
Phosphor, P: bis zu 0,04%.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff den zumindest einen der weiteren Legie rungsbestandteile in Anteilen von jeweils zumindest den an gegebenen Mengen in Gewichtsprozent enthält:
Wolfram, W: zumindest 0,3%;
Vanadium, V: zumindest 0,06%;
Kupfer, Cu: zumindest 0,1%;
Kobalt, Co: zumindest 0,5%;
Schwefel, S: zumindest 0,013% und
Phosphor, P: zumindest 0,02%.
5. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl-Werkstoff ein vollständig austenitisch ausgebildetes Gefüge aufweist.
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