DE102014225966A1

DE102014225966A1 - Laufradgehäuse mit einer Bypass-Ventileinrichtung für Abgasturbolader und Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102014225966A1
Application number: DE102014225966.5A
Authority: DE
Inventors: Dirk Frankenstein; Jan Ehrhard; Marc Hiller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufradgehäuse (109, 111) mit einer Bypass-Ventileinrichtung (112, 113) für einen Abgasturbolader (101) sowie einen Abgasturbolader (101) mit zumindest einem solchen Laufradgehäuse. Dabei besteht das Laufradgehäuse(109, 111) aus einem Leichtmetallwerkstoff und weist zumindest einen Lagereinsatz (15, 16) mit gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff des Laufradgehäuses (109, 111) erhöhter Verschleißfestigkeit auf. Das Laufradgehäuse (109, 111) kann beispielsweise ein Turbinengehäuse (109) oder ein Verdichtergehäuse (109) sein und zeichnet sich dadurch aus, dass der Lagereinsatz (15, 16) mittels einer in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten stoffschlüssigen Verbindung (20) mit dem Laufradgehäuse(109, 111) in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufradgehäuse für einen Abgasturbolader, wobei das Laufradgehäuse eine Bypass-Ventileinrichtung mit einer Ventilklappe, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und mittels Ventil-Lagerkomponenten im Laufradgehäuse gelagert ist, aufweist.
Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO₂-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle befestigt, die in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Rotorwelle wiederum das Verdichterrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massendurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist.
Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten werden Abgasturbolader mit sogenannten variablen Turbinengeometrien und mit über Ventilklappen zu öffnenden Bypass-Kanälen im Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse ausgestattet.
Eine entsprechende Bypass-Kanal Einrichtung auf der Turbinenseite wird als Wastegate-Ventil bezeichnet. Das Wastegate-Ventil verbindet den Abgaskanal in Strömungsrichtung vor dem Turbinenlaufrad mit dem Abgaskanal hinter dem Turbinenlaufrad. Das Wastegate-Ventil kann über eine Schließvorrichtung, zum Beispiel eine Ventilklappe geöffnet oder geschlossen werden. Bei niedriger Drehzahl und entsprechend kleinem Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors ist das Wastegate-Ventil geschlossen und der gesamte Abgasmassenstrom wird über das Turbinenlaufrad geführt. Dies gewährleistet eine ausreichende Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad und somit einen ausreichenden Druckaufbau des Verdichters auch bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors. Bei hoher Drehzahl und entsprechend großem Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird dann das Wastegate-Ventil geöffnet und zumindest ein Teil des Abgasmassenstroms am Turbinenlaufrad vorbei direkt in den Auspuffbereich in Strömungsrichtung hinter dem Turbinenlaufrad geleitet, um die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis an Turbine und Verdichter innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers zu halten.
Eine entsprechende Bypass-Kanal Einrichtung auf der Verdichterseite wird als Schub-Umluft-Ventil bezeichnet. Das Schub-Umluft-Ventil verbindet den Frischluft-Ansaugkanal in Strömungsrichtung vor dem Verdichterlaufrad mit dem Druckluftkanal in Strömungsrichtung nach dem Verdichterlaufrad. In Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors in denen der Verbrennungsmotor so viel Druckluft ansaugt und verbraucht, dass der Verdichter keinen zu hohen Überdruckanstieg im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erzeugt, bleibt das Schub-Umluft-Ventil geschlossen. Steigt jedoch der Überdruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotor zu stark an, was zum Beispiel der Fall ist, wenn bei hoher Drehzahl abrupt die Drosselklappe geschlossen wird, so besteht die Gefahr das das sogenannte Verdichterpumpen auftritt, was sich durch die damit einhergehenden Schwingungen schädlich auf die Mechanik des Turboladers auswirken kann und deshalb vermieden werden soll. In diesem Fall wird das Schub-Umluft-Ventil geöffnet und der Überdruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors wird durch Rückströmung von Druckluft aus dem Druckluftkanal in den Frischluft-Ansaugkanal des Abgasturboladers abgebaut.
Ein solcher Abgasturbolader 101 gemäß dem Stand der Technik ist in schematisierter Schnitt-Darstellung in 1 dargestellt und umfasst eine Abgasturbine 102, einen Verdichter 103 und ein Lagergehäuse 104. Die Abgasturbine 102 ist mit einem Wastegate-Ventil 112 in dem Turbinengehäuse 109 ausgestattet und der Abgas-Massestrom AM durch die Abgasturbine 102 ist mit Pfeilen angedeutet. Der Verdichter 103 weist ein Schub-Umluft-Ventil 113 in dem Verdichtergehäuse 111 auf und der Frischluft-Massestrom FM durch den Verdichter 103 ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Turbinengehäuse 109 und Verdichtergehäuse 111 sind sich im prinzipiellen Aufbau ähnlich, nehmen jeweils ein Laufrad, das Turbinenlaufrad 108 und das Verdichterlaufrad 110, auf und werden im Folgenden auch unter dem Oberbegriff Laufradgehäuse gemeinsam betrachtet.
Die sogenannte Läufereinheit des Abgasturboladers 101 besteht aus dem Turbinenlaufrad 108, dem Verdichterlaufrad 110 sowie der Läuferwelle 107. Die Läufereinheit rotiert im Betrieb um die Läuferachse 107a der Läuferwelle 107, die axiale Richtung der Läuferwelle 107 ist durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt. Die Läufereinheit ist mit ihrer Läuferwelle 107 mittels zweier Radiallager 105 und 106 gelagert. Die Radiallager 105, 106 werden über eine Schmiermittelzuführung 104a mit Schmiermittel versorgt.
Als Schließvorrichtung zum Öffnen und Schließen von den genannten Bypass-Ventileinrichtungen, wie dem Wastegate-Ventile 112 und dem Schub-Umluft-Ventile 113, werden in bekannter Weise Klappenventile eingesetzt. Beispiele dafür sind die in 1 dargestellten konventionellen Klappenventile, die jeweils mit einer Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung betätigt werden, um die Bypass-Kanäle 5 je nach Betriebserfordernissen des Abgasturboladers 101 öffnen oder schließen.
Wie aus 2 beispielhaft anhand des dargestellten aufgeschnittenen Turbinengehäuses mit Wastegate-Ventil 112 ersichtlich ist, weist die Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung einen im Innenraum des Turbinengehäuses 109 angeordneten Kurbelarm 8 auf, an dem die tellerförmige Ventilklappe 7 angebracht ist. Die Ventilklappe 7 liegt im geschlossenen Zustand des Wastegate-Ventils 112 dichtend auf dem Ventilsitz 6 auf und verschließt so den Bypass-Kanal.
Die an den Kurbelarm 8 anschließende Kurbelspindel 9 durchdringt das Turbinengehäuse 109 und ist in der Turbinengehäusewand um ihre Achse drehbar in einer Lagerbuchse 16 gelagert. Außerhalb des Turbinengehäuses 109 ist ein Betätigungshebel 11 an der Kurbelspindel 9 angebracht, an dem wiederum ein Betätigungsaktuator 12 angreift. Ein Schub-Umluft-Ventil im Verdichtergehäuse 111 kann prinzipiell den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen.
Solche Klappenventile befinden sich im Massenstrom des Abgases bzw. der Ansaugluft des Verbrennungsmotors und sind schwankenden Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt. Dies trifft in besonderem Maße auf das Wastegate-Ventil 112 zu, das Temperaturen bis zu 1200°C ausgesetzt sein kann. Weiterhin werden hohe Anforderungen an die Dichtheit der Ventileinrichtungen und deren Verschleißfestigkeit gestellt. Dies trifft sowohl auf den Ventilklappensitz 6 als auch auf die Durchführung und Lagerung der Kurbelspindel im Turbinengehäuse 109 respektive Verdichtergehäuse 111 zu. Dies erfordert insbesondere ein ebenes, dichtes Aufliegen der Ventilklappe auf der Ventilsitzfläche im geschlossenen Zustand und das Aufbringen entsprechend hoher Schließkräfte, sowie enger Spaltmaße in der Lagerung der Kurbelspindel.
Solche oder ähnliche Ausführungen von Bypass-Ventilen sind zum Beispiel auch in den Dokumenten DE 10 2008 011 416 A1 und DE 10 2011 089 777 A1 offenbart.
Aufgrund der oben genannten Belastungen und Betriebsbedingungen kann sich erhöhter Verschleiß zwischen Ventilklappe und Ventilsitzfläche sowie im Lager der Kurbelspindel einstellen. Mit erhöhtem Verschleiß ist vor allem dann zu rechnen, wenn aus Gründen der Gewichtsersparnis die jeweiligen Gehäusebereiche des Abgasturboladers aus einem Leichtmetall, zum Beispiel einer Aluminiumlegierung bestehen. Aus diesem Grund wird als Ventilklappensitz zum Beispiel ein separater Ventilsitzring und für die Lagerung der Kurbelspindel eine Lagerbuchse in das jeweilige Gehäuse eingesetzt, die aus einem Material höherer Verschleißfestigkeit bestehen. Dies bedingt jedoch einen erhöhten Bearbeitungs- und Montageaufwand sowie eine erhöhte Teileanzahl. Eine solche Wastegate-Ventileinrichtung mit einem eingesetzten Ventilsitzring ist beispielsweise aus DE 10 2010 062 403 A1 bekannt.
So werden zum Beispiel in Laufradgehäuse aus Aluminiumlegierungen Ventilsitzringe und Lagerbuchsen aus Stahl eingebaut. Dazu werden diese zum Beispiel im jeweiligen Aufnahmesitz im Gehäuse eingepresst, eingeschrumpft, eingegossen, eingeschraubt oder auch verstemmt. Das Einpressen, Einschrumpfen, Verschrauben wie auch das Verstemmen stellt einen Kompromiss bezüglich Festigkeit der Verbindung dar und kann, insbesondere bei thermischer Wechselbelastung, zu Lockerung oder gar zum Lösen der Verbindung und so zu einem massiven Maschinenschaden führen. Darüber hinaus wird ein erhöhter Aufwand in der bauteilvorbereitenden Fertigung und im Montageprozess erforderlich. Auch das Eingießen führt zu einem komplexen Prozess bei der Herstellung der Gießform und dem Abgießen des Gehäuserohlings. Konventionelle Schweißverfahren wie Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder Plasmaschweißen sind entweder nicht dazu geeignet die genannten unterschiedlichen Werkstoffe zu verbinden oder führen durch die Erzeugung von Eigenspannungen und Versprödung des Metallgefüges zu Rissbildung und Korrosion im Betrieb.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laufradgehäuse mit entsprechendem Bypass-Ventil für einen Abgasturbolader und einen entsprechenden Abgasturbolader anzugeben, die eine erhöhte Verschleißfestigkeit des Bypass-Ventils in Bezug auf die Ventilsitzflächen und die Kurbelspindel-Lagerung durch den Einsatz von Lagerbuchse und Ventilsitzring aufweisen und gleichzeitig die genannten Nachteile der oben genannten konventionellen Fügeverfahren vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Laufradgehäuse mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und einen Abgasturbolader gemäß dem nebengeordneten unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, deren Merkmale einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Laufradgehäuse weist eine Bypass-Ventileinrichtung auf und ist für einen Abgasturbolader vorgesehen. Dabei besteht das Laufradgehäuse aus einem Leichtmetallwerkstoff und weist zumindest einen Lagereinsatz mit gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff des Laufradgehäuses erhöhter Verschleißfestigkeit auf. Das Laufradgehäuse ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Lagereinsatz mittels einer in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten stoffschlüssigen Verbindung mit dem Laufradgehäuse in Verbindung steht und dadurch in diesem befestigt und in seiner vorgesehenen Position fixiert ist.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Hubkolbenmotor, vorgesehen und zeichnet sich dadurch aus, dass er zumindest ein Laufradgehäuse aufweist, das ein Verdichtergehäuse oder ein Turbinengehäuse sein kann und das die oben genannten Merkmale des erfindungsgemäßen Laufradgehäuses ggf. in Kombination mit den in den Unteransprüchen angegebenen zusätzlichen Merkmalen, aufweist.
Das Reib-Rühr-Schweißverfahren ist an sich bereits zum Beispiel aus der EP 0 615 480 B1 als "Reibrührungs-Stumpfschweißen" oder "Stoßschweißen" bekannt und ermöglicht es eine Vielzahl verschiedenartiger Werkstücke mittels einer "nichtverbrauchbaren" Sonde zu verbinden. Die Darstellung in 3 soll das Verfahren verdeutlichen. Dabei wird die Sondenspitze 31 einer weitgehend unverbrauchbaren Reib-Schweiß-Sonde 30 mit einer Sondenanpresskraft F in den durch einen stumpfen Stoß 21 gebildeten Spalt zwischen den zu verbindenden Materialien eingeführt wobei sich die Reib-Schweiß-Sonde 30 mit einer bestimmten Drehzahl ω um ihre eigene Sonden-Längsachse 32 dreht, um Reibungswärme zu erzeugen. Die Sondenspitze 31 wird komplett in den Spalt eingetaucht, bis die Reib-Schweiß-Sonde 30 mit ihrer Sonden-Stirnfläche 33 auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Bei hinreichender Erhitzung wird eine Schicht aus plastifiziertem Material um die Sonde herum gebildet, die weitgehend aus den beiden zu verbindenden Materialien besteht, so dass bei langsamem Traversieren der rotierenden Sonde um einen Sondenvorschubweg S, längs der Verbindungslinie bzw. des stumpfen Stoßes 21 und senkrecht zur Längsachse der Reib-Schweiß-Sonde 32, das plastifizierte Material längs der Verbindungslinie miteinander "verrührt" wird. Bei der Abkühlung des plastifizierten Werkstoffes, in Bezug auf den Sondenvorschubweg S hinter der Sondenspitze 31, bildet das plastifizierte Material eine stoffschlüssige Verbindung 20 entlang des stumpfen Stoßes 21 und verbindet so die Bauteile in der gewünschten Weise miteinander. Die Querschnittsfläche der stoffschlüssigen Verbindung ist abhängig von der Geometrie der Sondenspitze der Reib-Schweiß-Sonde, die zum Beispiel Kegelform mit abgerundeter Spitze aufweisen kann.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht vor Allem darin, dass unterschiedliche Materialien quasi in einem Warmumformprozess verbunden werden, wobei keine besondere Nahtvorbereitung erforderlich ist und keinerlei Zusatzmaterialien benötigt werden. Weiterhin erfolgt der Prozess in Temperaturbereichen unterhalb der Schmelztemperatur des zu verbindenden Materials wodurch ungünstige Material-Gefüge-Änderungen und Eigenspannungen im Verbindungsbereich weitgehend vermeidbar sind.
Das erfindungsgemäße Laufradgehäuse sowie der entsprechende Abgasturbolader haben den Vorteil, dass für das jeweilige Laufradgehäuse, Turbinengehäuse und/oder Verdichtergehäuse, ein leichter Leichtmetallwerkstoff zur Gewichtseinsparung Verwendung finden kann wobei durch entsprechende Lagereinsätze für eine Bypass-Ventileinrichtung eine hohe Verschleißfestigkeit gewährleistet ist. Darüber hinaus ist eine dauerhafte und feste Positionierung und Fixierung der Lagereinsätze im Laufradgehäuse gegeben bei gleichzeitiger Vermeidung von Eigenspannungen und ungünstiger Materialveränderungen in den Verbindungsbereichen.
Eine Ausführung des Laufradgehäuse zeichnet sich dadurch aus, dass der Lagereinsatz in eine korrespondierende Ausnehmung des Laufradgehäuses eingelassen ist, wobei durch eine Stirnfläche des Lagereinsatzes und einen unmittelbar angrenzenden Bereich des Laufradgehäuses eine ebene Auflagefläche ausgebildet ist und durch eine Mantelfläche des Lagereinsatzes mit dem unmittelbar angrenzenden Bereich der Ausnehmung des Laufradgehäuses, zumindest in einem an die ebene Auflagefläche angrenzenden Bereich, ein stumpfer Stoß ausgebildet ist. Dies ermöglicht ein planes aufliegen der Sonden-Stirnfläche der Reib-Schweiß-Sonde, verhindert so das Austreten von Werkstoff aus dem Verbindungsnahtbereich und ergibt eine besonders saubere und gleichmäßige Verbindungsnaht.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Laufradgehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte stoffschlüssige Verbindung als umlaufende, durchgängige Verbindungsnaht im Bereich und entlang des stumpfen Stoßes ausgebildet ist. Der Verbindungsnahtbereich hat dadurch maximale Länge und kann auch hohe mechanische und thermische Beanspruchungen aushalten. Alternativ kann die Verbindungsnaht auch als einzelne voneinander getrennte Verbindungsnahtabschnitte ausgeführt sein. Bei weniger hohen auszuhaltenden Belastungen, kann so im Herstellprozess der Verbindungsnaht Zeit und Energie gespart werden.
In Vorteilhafter Ausführung des Laufradgehäuses ist der Leichtmetallwerkstoff des jeweiligen Laufradgehäuses ein Aluminium aufweisender Werkstoff oder eine Aluminium-Legierung. Dies verringert das Gewicht des Laufradgehäuses wesentlich und erleichtert die Bearbeitung des Werkstückes in der Herstelllung.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Laufradgehäuses weist als Lagereinsatz zumindest einen Ventilsitzring oder eine Lagerbuchse auf. Der Ventilsitzring gewährleistet dabei erhöhte Verschleißfestigkeit und somit auf Dauer ein dichtes Schließen des jeweiligen Ventils und so einen verringerten Leckage-Massenstrom.
In einer weiteren Ausführung des Laufradgehäuses ist zumindest ein Lagereinsatz, also ein Ventilsitzring oder eine Lagerbuchse oder auch beide aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Dies erhöht aufgrund der Materialeigenschaften die Verschleißfestigkeit.
Das erfindungsgemäße Laufradgehäuse kann ein Turbinengehäuse oder ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers sein. Es kann allerdings auch sowohl das Turbinengehäuse als auch das Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers nach Art des erfindungsgemäßen Laufradgehäuses ausgeführt sein. Dadurch wird dem Abgasturbolader eine längere Lebensdauer bzw. ein besserer Wirkungsgrad über die Lebensdauer verliehen.
Sofern das Laufradgehäuse ein Turbinengehäuse ist, so ist die Bypass-Ventileinrichtung eine Wastegate-Ventileinrichtung und im Falle eines Verdichtergehäuses ist die Ventileinrichtung eine Schub-Umluft-Ventileinrichtung.
Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik, mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung;
2 eine perspektivische Darstellung eines Abgasturboladers mit einem aufgeschnittenen Turbinengehäuse mit einem Wastegate-Ventil, gemäß dem Stand der Technik;
3 eine vereinfachte Darstellung des Reib-Rühr-Schweißverfahrens;
4 eine Schnittdarstellung eines Ventilklappensitzes eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses mit eingefügtem und mittels Reib-Rühr-Schweißverfahren verbundenen Ventilsitzring; und
5 eine Schnittdarstellung eines Lagerbereichs eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses mit eingefügtem und mittels Reib-Rühr-Schweißverfahren verbundener Lagerbuchse.
Funktions- und benennungsgleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die 1 bis 3 dienen der Erläuterung des Standes der Technik und wurden in diesem Zusammenhang bereits oben beschrieben.
4 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Bypass-Kanal 5 in einem Laufradgehäuse 109, 111, im Bereich des Ventilsitzes 6 mit einem eingelassenen Lagereinsatz, hier einem Ventilsitzring 15. Ist das Laufradgehäuse ein Turbinengehäuse 109 so entspricht der Bypass-Kanal 5 einen Wastegate-Kanal 5. Ist das Laufradgehäuse ein Verdichtergehäuse 111 so entspricht der Bypass-Kanal 5 einen Schub-Umluft-Kanal 5.
Der Ventilsitzring 15 besitzt in diesem Beispiel eine quadratische Querschnittsfläche und ist in eine als Absatz ausgebildete korrespondierende Ausnehmung am oberen Rand des Bypass-Kanals 5 des Laufradgehäuses, beispielsweise eines Turbinengehäuses 109, eingelassen. Durch die Stirnfläche 18 des Ventilsitzringes 15 und einen unmittelbar angrenzenden, den Ventilsitzring umlaufend umgebenden Bereich 19 des Laufradgehäuses 109, 111 ist eine ebene Auflagefläche 22 ausgebildet.
Durch die Mantelfläche des Ventilsitzringes 15, also seine zylinderförmige Außenkontur, ist mit dem unmittelbar angrenzenden Bereich der korrespondierenden Ausnehmung, also der zylinderförmigen Innenkontur der absatzförmigen Ausnehmung am oberen Ende des Bypass-Kanals 5 des Laufradgehäuses 109, 111 in dem an die ebene Auflagefläche 22 angrenzenden Bereich, ein stumpfer Stoß 21 ausgebildet, der in der rechten Bildhälfte in der Schnittebene zu erkennen ist. Die ebene Auflagefläche 22, die sich beiderseits des stumpfen Stoßes erstreckt soll ein planes Aufliegen der Stirnfläche 33 der Reib-Schweiß-Sonde 30 rings um die Sondenspitze 31 ermöglichen und erstreckt sich deshalb beiderseits des stumpfen Stoßes zumindest über den halben Durchmesser der Stirnfläche 33 der Reib-Schweiß-Sonde 30.
In der linken Bildhälfte ist im Bereich des stumpfen Stoßes die im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte stoffschlüssige Verbindung 20 zwischen dem Material des Laufradgehäuses 109, 111 und dem Ventilsitzring 15 in der Schnittebene zu erkennen. Die stoffschlüssige Verbindung ist in der linken Bildhälfte der 4 als durchgängig entlang des stumpfen Stoßes umlaufende Verbindungsnaht 23 ausgeführt. In der rechten Bildhälfte dagegen ist die stoffschlüssige Verbindung beispielhaft in einzelne voneinander getrennte Verbindungsnahtabschnitte 24 entlang des stumpfen Stoßes 21 ausgebildet, in ähnlicher Ausprägung wie beim allgemein bekannten "Punktschweißen". Die Querschnittsfläche der stoffschlüssigen Verbindung 20 ist abhängig von der Geometrie der Sondenspitze 31 der Reib-Schweiß-Sonde 30, die zum Beispiel Kegelform mit abgerundeter Spitze aufweisen kann.
Im Gegensatz zu einem aus Leichtmetall, insbesondere einer Aluminiumlegierung gefertigten Laufradgehäuse 109, 111 kann der Ventilsitzring aus einem Stahlwerkstoff mit größerer Härte und Zähigkeit, also besserer Verschleißfestigkeit gefertigt sein.
Weiterhin ist in 4 die Reib-Schweiß-Sonde 30, die mit einer bestimmten Drehzahl ω um ihre eigene Sonden-Längsachse 32 rotiert, und deren Sondenvorschubweg S (im Falle einer durchgehend umlaufenden Verbindungsnaht 23) dargestellt. Demnach wird die rotierende Reib-Schweiß-Sonde 30 zunächst entlang ihrer Sonden-Längsachse 32, in der Zeichnung abwärts, bewegt, bis die Sondenspitze 31 in den durch den stumpfen Stoß 21 gebildeten Spalt komplett eingetaucht ist und die Reib-Schweiß-Sonde 30 mit ihrer Sonden-Stirnfläche 33 plan auf der ebenen Auflagefläche 22 aufliegt. Anschließend wird die rotierende Reib-Schweiß-Sonde 30 senkrecht zu ihrer Sonden-Längsachse 32 mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit entlang des Verlaufs des stumpfen Stoßes 21 zwischen den Werkstücken verfahren und so die Verbindungsnaht 23, ausgebildet.
5 zeigt eine in ein Laufradgehäuse 109,111 eingelassene Lagerbuchse 16. Die Lagerbuchse 16 besitzt in diesem Beispiel einen umlaufenden Buchsenbund 17 an einem Ende (in der Zeichnung oben), der einen Absatz am oberen Ende der Mantelfläche der Lagerbuchse ausbildet und die Stirnfläche 18 der Lagerbuchse radial vergrößert.
Dieser Buchsenbund 17 ist in eine als Absatz ausgebildete korrespondierende Ausnehmung am oberen Rand der die Laufradgehäusewand durchdringenden Aufnahmebohrung des Laufradgehäuses, beispielsweise eines Turbinengehäuses 109 oder eines Verdichtergehäuses 111, eingelassen. Durch die Stirnfläche 18 der Lagerbuchse 16 und einen unmittelbar angrenzenden, den Bund der Lagerbuchse 16 umlaufend umgebenden ebenen Bereich 19 des Laufradgehäuses 109, 111 ist eine ebene Auflagefläche 22 ausgebildet.
Durch die zylinderförmige Außenfläche des Buchsenbundes 17 ist mit dem unmittelbar angrenzenden Bereich der korrespondierenden Ausnehmung, also der zylinderförmigen Innenkontur der absatzförmigen Ausnehmung am oberen Ende der Aufnahmebohrung des Laufradgehäuses 109, 111 in dem an die ebene Auflagefläche 22 angrenzenden Bereich, ein stumpfer Stoß 21 ausgebildet, der in der rechten Bildhälfte in der Schnittebene zu erkennen ist. Die ebene Auflagefläche 22, die sich beiderseits des stumpfen Stoßes 21 erstreckt soll ein planes Aufliegen der Stirnfläche 33 der Reib-Schweiß-Sonde 30 rings um die Sondenspitze 31 ermöglichen und erstreckt sich deshalb beiderseits des stumpfen Stoßes zumindest über den halben Durchmesser der Stirnfläche 33 der Reib-Schweiß-Sonde 30.
In der linken Bildhälfte der 5 ist im Bereich des stumpfen Stoßes 21 die im Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte stoffschlüssige Verbindung 20 zwischen dem Material des Laufradgehäuses 109, 111 und der Lagerbuchse in der Schnittebene zu erkennen. Die stoffschlüssige Verbindung ist in der linken Bildhälfte der 4 als durchgängig entlang des stumpfen Stoßes umlaufende Verbindungsnaht 23 ausgeführt. In der rechten Bildhälfte ist die Verbindungsnaht 23 nicht weitergeführt, um den Verlauf des stumpfen Stoßes 21 erkennbar zu machen. Auch im Falle der Lagerbuchse 16 kann die stoffschlüssige Verbindung in einzelne voneinander getrennte Verbindungsnahtabschnitte entlang des stumpfen Stoßes 21 ausgebildet sein (hier nicht dargestellt).
Im Gegensatz zu einem aus Leichtmetall, insbesondere einer Aluminiumlegierung gefertigten Laufradgehäuse 109, 111 kann der Lagerbuchse aus einem Stahlwerkstoff mit größerer Härte und Zähigkeit, also besserer Verschleißfestigkeit, oder auch aus einem Sinterwerkstoff gefertigt sein.
In Kürze nochmal zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Laufradgehäuse mit einer Bypass-Ventileinrichtung für einen Abgasturbolader sowie einen Abgasturbolader mit zumindest einem solchen Laufradgehäuse. Dabei besteht das Laufradgehäuse aus einem Leichtmetallwerkstoff und weist zumindest einen Lagereinsatz, zum Beispiel einen Ventilsitzring und/oder eine Lagerbuchse, mit gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff des Laufradgehäuses erhöhter Verschleißfestigkeit auf. Das Laufradgehäuse kann beispielsweise ein Turbinengehäuse oder ein Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers sein und zeichnet sich dadurch aus, dass der jeweilige Lagereinsatz mittels einer in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten stoffschlüssigen Verbindung mit dem Laufradgehäuse in Verbindung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011416 A1 [0015]
DE 102011089777 A1 [0015]
DE 102010062403 A1 [0016]
EP 0615480 B1 [0022]

Claims

Laufradgehäuse (109, 111) mit einer Bypass-Ventileinrichtung (112, 113) für einen Abgasturbolader (101), wobei das Laufradgehäuse(109, 111) aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht und zumindest einen Lagereinsatz (15, 16) mit gegenüber dem Leichtmetallwerkstoff des Laufradgehäuses (109, 111) erhöhter Verschleißfestigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagereinsatz (15, 16) mittels einer in einem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellten stoffschlüssigen Verbindung (20) mit dem Laufradgehäuse(109, 111) in Verbindung steht.
Laufradgehäuse (109, 111) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagereinsatz (15, 16) in eine korrespondierende Ausnehmung des Laufradgehäuses (109, 111) eingelassen ist, wobei durch eine Stirnfläche (18) des Lagereinsatzes (15, 16) und einen unmittelbar angrenzenden Bereich (19) des Laufradgehäuses (109, 111) eine ebene Auflagefläche (22) ausgebildet ist und durch eine Mantelfläche des Lagereinsatzes (15, 16) mit dem unmittelbar angrenzenden Bereich der Ausnehmung des Laufradgehäuses (109, 111), zumindest in einem an die ebene Auflagefläche (22) angrenzenden Bereich, ein stumpfer Stoß (21) ausgebildet ist.
Laufradgehäuse(109, 111) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Reib-Rühr-Schweißverfahren hergestellte stoffschlüssige Verbindung (20) als umlaufende, durchgängige Verbindungsnaht (23) oder als einzelne voneinander getrennte Verbindungsnahtabschnitte (24) im Bereich und entlang des stumpfen Stoßes (21) ausgebildet ist.
Laufradgehäuse(109, 111) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallwerkstoff des jeweiligen Laufradgehäuses(109, 111) ein Aluminium aufweisender Werkstoff oder eine Aluminium-Legierung ist.
Laufradgehäuse (109, 111) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lagereinsatz ein Ventilsitzring (15) oder eine Lagerbuchse (16) ist.
Laufradgehäuse (109, 111) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lagereinsatz aus einem Stahlwerkstoff besteht.
Laufradgehäuse (109, 111) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufradgehäuse (109, 111) ein Turbinengehäuse (109) oder ein Verdichtergehäuse (111) eines Abgasturboladers ist.
Laufradgehäuse (109, 111) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Ventileinrichtung (112, 113) eine Wastegate-Ventileinrichtung (112) im Turbinengehäuse (109) oder eine Schub-Umluft-Ventileinrichtung (113) im Verdichtergehäuse (111) ist.
Abgasturbolader (101) für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Laufradgehäuse (109, 111) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.