内燃机的涡轮机
阅读说明：本技术 内燃机的涡轮机 (Turbine for internal combustion engine ) 是由 彼得·加保尔 格雷戈尔·胡林 贝内迪克特·施赖伯 本杰明·波勒 于 2021-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于内燃机的涡轮机(1),所述涡轮机包括轴(2)和用于支承所述轴(2)的滚动轴承(3),其中,所述滚动轴承(3)具有至少一个内圈(4a、4b)、至少一个外圈(5)以及在空间上布置在所述至少一个内圈(4a、4b)和所述至少一个外圈(5)之间的滚动体(6a、6b),其中,至少所述至少一个内圈(4a、4b)由钢合金构造,其中,所述钢合金具有至少5.8至最高6.2重量％的镍、至少4.8至最高5.2重量％的铬、至少2.0至最高2.4重量％的铝、至少0.6至最高0.8重量％的钼和至少0.45至最高0.55重量％的钒。(The invention relates to a turbomachine (1) for an internal combustion engine, comprising a shaft (2) and a rolling bearing (3) for mounting the shaft (2), wherein the rolling bearing (3) has at least one inner ring (4a, 4b), at least one outer ring (5) and rolling elements (6a, 6b) spatially arranged between the at least one inner ring (4a, 4b) and the at least one outer ring (5), wherein at least the at least one inner ring (4a, 4b) is constructed from a steel alloy, wherein the steel alloy has at least 5.8 to at most 6.2 wt.% nickel, at least 4.8 to at most 5.2 wt.% chromium, at least 2.0 to at most 2.4 wt.% aluminum, at least 0.6 to at most 0.8 wt.% molybdenum and at least 0.45 to at most 0.55 wt.% vanadium.)
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机或涡轮复合发动机的涡轮机。应用领域延伸到用于内燃机的涡轮机，例如涡轮增压器、电动涡轮、涡轮压缩机、尤其是运载工具领域中的电子增压器以及涡轮复合概念，运载工具即乘用车、商用车、重型和越野车以及船舶。
背景技术
优选地，涡轮机被设置用于在载重汽车内燃机中使用。涡轮机包括至少一个轴以及用于支承所述轴的滚动轴承。滚动轴承具有至少一个内圈、至少一个外圈以及空间上布置在内圈和外圈之间的滚动体。
通常已知的是，内燃机也称为涡轮复合发动机，其中，废气的能量含量通过下游的动力涡轮利用，以便进一步使来自燃烧的废气减压。通过动力涡轮回收的能量随后通过机械或液压传动机构传递到曲轴上，从而优化涡轮复合发动机的效率和性能。涡轮复合发动机的废气在排气阀打开时具有比环境空气更高的压力，其中，利用所述压力降的至少一部分来驱动所述涡轮机，以便压缩所述涡轮复合发动机的进气道中的空气。
由DE 10 2010 054 904 A1已知一种用于涡轮增压器的轴承筒。所述轴承筒包括可以被压入轴承壳体中的承载圈以及由所述承载圈径向包围的轴承外圈，其中，在轴承外圈的柱体形的外表面与所述承载圈的空心柱体形的内表面之间构造有以油填充的中间空间，并且所述承载圈具有构造用于给所述中间空间供油的供应孔。
通常已知的是，用于涡轮增压器的滚动轴承圈由工具钢制成。例如为此建立了材料M50，其中，所述材料也能够以材料编号1.3551已知。由这种材料制造滚动轴承圈是昂贵且繁琐的。
发明内容
本发明的任务在于进一步改进涡轮机，并且尤其是使得涡轮机的轴的滚动轴承更便宜、更耐用和使用寿命更长。所述任务通过权利要求1的主题来解决。可以从从属权利要求、说明书和附图中得出优选的实施方式。
根据本发明的用于内燃机的涡轮机包括轴以及用于支承所述轴的滚动轴承，其中，滚动轴承具有至少一个内圈、至少一个外圈以及空间上布置在所述至少一个内圈和所述至少一个外圈之间的滚动体，其中，至少所述至少一个内圈由钢合金构造，所述钢合金具有至少5.8至最高6.2重量％的镍、至少4.8至最高5.2重量％的铬、至少2.0至最高2.4重量％的铝、至少0.6至最高0.8重量％的钼和至少0.45至最高0.55重量％的钒。
滚动轴承可以由多个单个轴承元件构造或者被构造为轴承筒。
钢合金的相应合金组成可以例如借助光谱分析(OES)或借助X射线荧光分析(RFA)来确定。重量％是重量百分比的缩写。在100重量％的基础上缺少的没有指出的合金成分在此和以下仅由铁和不可避免的杂质形成。
钢合金中的合金元素镍、铬、铝、钼和钒的重量％份额使得能够构造滚动轴承圈，所述滚动轴承圈即使在高于500℃的温度下也特别耐腐蚀和抗氧化并且具有高的尺寸稳定性。尤其，通过常规的熔炼和热处理制造钢合金，其中，由此降低制造成本。此外，通过合金元素镍、铬、铝、钼和钒的重量％份额，用于构造马氏体组织的温度范围向更高温度的方向移动，使得不进行钢合金的过冷，其中，由此尤其提高了工件的尺寸稳定性。尤其是这种滚动轴承圈可以相对于由材料100Cr6制成的滚动轴承圈更紧凑地构造，由此也降低了滚动轴承圈的结构需求。
铝的重量％份额通过在工件表面上构造钝化层而实现了高的耐腐蚀性和抗氧化性。钝化层尤其构造为铝氧化层。
优选地，钢合金除了合金元素镍、铬、铝、钼和钒的上述重量％份额外还具有至少0.16至最高0.31重量％的碳。优选钢合金具有至少0.25％至最高0.31重量％的碳。钢合金尤其具有至少0.27％至最高0.29重量％的碳。已证实这种碳含量有利于构造马氏体组织以及细小均匀分布的小于1μm的合金碳化物。
此外优选地，钢合金除了合金元素镍、铬、铝、钼和钒的上述重量％份额外还具有至少0.2至最高0.5重量％的锰、最高0.2重量％的硅、最高0.2重量％的磷、以及最高0.001重量％的硫。合金元素锰、硅、磷和硫的重量％份额减少了在组织中尤其是由于杂质而构造的缺陷的份额，并且因此提高了滚动轴承圈的承载能力。
根据本发明的优选的实施方式，滚动轴承具有第一内圈和第二内圈，其中，所述第一内圈在涡轮侧布置在轴上并且由钢合金构造。换句话说，滚动轴承包括两个内圈和一个外圈。例如，只有涡轮侧的第一内圈由钢合金构造。内圈的在涡轮侧的布置理解为，所述内圈与涡轮机的涡轮邻接，尤其指向涡轮机的涡轮。在涡轮侧，气体具有比压缩机侧更高的温度。
根据本发明的优选的实施方式，布置在压缩机侧的第二内圈也由钢合金构造。因此，根据这个实施方式，涡轮侧的第一内圈和压缩机侧的第二内圈都是由钢合金构造的。内圈的在压缩机侧的布置可以理解为，所述内圈与涡轮机的压缩机侧邻接，尤其指向涡轮机的压缩机侧。
根据本发明的优选的实施方式，布置在壳体上的外圈也由钢合金构造。因此，根据这个实施方式，涡轮侧的第一内圈和压缩机侧的第二内圈以及外圈都是由钢合金构造的。所述实施方式尤其适用于高负荷的滚动轴承。由钢合金构造的滚动轴承圈的选择基本上取决于对涡轮机并且尤其对滚动轴承所提出的机械要求和热要求。
尤其，钢合金的组织被构造成马氏体并且具有合金碳化物以及金属间相。优选地，在组织中构造具有小于500nm的直径的合金碳化物。尤其，合金碳化物构造为M7C3、M6C和MC碳化物并且嵌入到马氏体组织基体中，其中，“M”是形成碳化物的元素，尤其是铁、铬、钒和钼。优选地，金属间相被构造为纳米晶体。例如光学显微镜和X射线结构分析适合于确定钢合金的组织成分的份额和大小。
优选地，钢合金被构造成在至少500℃至最高620℃下热处理，以便调节组织。热处理的持续时间尤其为2至6小时，优选3小时。
优选地，钢合金被构造成渗氮的，以便提高相应的滚动轴承圈的表面硬度和承载能力。换句话说，相应的滚动轴承圈经受氮化。在此，氮渗入相应的滚动轴承圈的边缘区中。在这种热化学方法中，边缘区在500至600℃的温度下富含氮。
根据本发明的优选的实施方式，轴被构造成在每分钟5000到300000转的转速范围内旋转。优选地，轴被构造成在每分钟50000到300000转的转速范围内旋转。
附图说明
下面借助于唯一的附图连同对本发明的优选实施例的说明一起更详细示出改进本发明的其它措施。唯一的附图示出根据本发明的涡轮机的示意的纵向剖视图。
具体实施方式
根据唯一的附图，用于(在此未示出的)内燃机的涡轮机1包括轴2以及滚动轴承3，所述滚动轴承被设立用于将轴2支承在壳体7中。轴2被构造成在每分钟100000至300000转的转速范围内旋转。滚动轴承3当前构造为双列角接触球轴承并且具有两件式的内圈4a、4b和一件式的外圈3。因此，滚动轴承3具有第一内圈4a、第二内圈4b、外圈5以及在空间上布置在相应的内圈4a、4b和外圈5之间的滚动体6a、6b，所述滚动体在相应的内圈4a、4b和外圈5上的相应的滚道上滚动。两个内圈4a、4b不可相对旋转地且轴向固定地布置在轴2的外周面上。外圈5径向地且轴向地固定在涡轮机1的壳体7的内周面上。为了外圈5的轴向固定和抗扭转，例如至少一个螺钉8轴向地拧入壳体7中。
两个内圈4a、4b和外圈5在此由钢合金构造，所述钢合金具有至少5.8至最高6.2重量％的镍、至少4.8至最高5.2重量％的铬、至少2.0至最高2.4重量％的铝、至少0.6至最高0.8重量％的钼和至少0.45至最高0.55重量％的钒。此外，钢合金具有至少0.25％至最高0.31重量％的碳。此外，钢合金具有至少0.2至最高0.5重量％的锰、最高0.2重量％的硅、最高0.2重量％的磷和最高0.001重量％的硫。
钢合金的组织构造成马氏体并且具有合金碳化物以及金属间相。为了调节所述组织，将钢合金在至少500℃至最高620℃下热处理至少2小时至最高6小时。所述钢合金与迄今为止公知的用于涡轮机的滚动轴承的钢合金相比在改善疲劳强度的同时具有更高的热稳定性。尤其是，耐腐蚀性和抗氧化性也得到提高，并且使制造变得容易。
附图标记列表
1 涡轮机
2 轴
3 滚动轴承
4a、4b 内圈
5 外圈
6a、6b 滚动体
7 壳体
8 螺钉。
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