DE102013221712A1

DE102013221712A1 - Verfahren zum Schutz des Verdichterrades eines Abgasturboladers vor einer Beschädigung sowie Verdichterrad

Info

Publication number: DE102013221712A1
Application number: DE102013221712.9A
Authority: DE
Inventors: Marc Hiller
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30
Also published as: EP3013993A1; EP3013993B1; WO2015058938A1; EP3013993B8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Schaufeln und einen Verdichterradzapfen aufweisenden, aus einem Leichtmetall bestehenden Verdichterrades eines Abgasturboladers vor einer Beschädigung, mit folgenden Schritten: Aufschmelzen der Oberfläche der Eintrittskanten der Schaufeln mittels eines Laserstrahles, Zuführen eines Prozessgases, welches sich mit der Schmelze verbindet, und Verhärten der Oberfläche der Eintrittskanten durch Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verdichterrad, bei welchem die Eintrittskanten der Schaufeln eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz des Verdichterrades eines Abgasturboladers vor einer Beschädigung sowie ein Verdichterrad.
Zur Reduzierung der Abgasemissionen eines Kraftfahrzeugmotors ist es bereits bekannt, einen Teil des Abgases dem Motor zusammen mit Frischluft wieder zuzuführen. In dem zurückgeführten Abgas befinden sich häufig kleine Feststoffpartikel, insbesondere Rußpartikel. Das Frischluft-Abgasgemisch wird dabei über das Verdichterrad eines Abgasturboladers dem Verbrennungsraum des Motors zugeführt. Dabei können die im Abgas enthaltenen Feststoffpartikel die Eintrittskanten der Schaufeln des Verdichterrades beschädigen, da sich das Verdichterrad mit einer sehr hohen Drehzahl und somit hoher Geschwindigkeit dreht.
Zur Vermeidung einer derartigen Beschädigung des Verdichterrades eines Abgasturboladers ist es bereits bekannt, das Verdichterrad aus hochfesten und somit kostenaufwendigen Werkstoffen wie beispielsweise Titan herzustellen.
Ferner ist es zur Vermeidung einer derartigen Beschädigung des Verdichterrades eines Abgasturboladers bereits bekannt, die Oberfläche des Verdichterrades mit einem hochfesten Material zu beschichten. Als hochfestes Beschichtungsmaterial kann beispielsweise Nickel verwendet werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Schutz des Verdichterrades eines Abgasturboladers vor einer Beschädigung anzugeben, bei welchem weder hochfeste Werkstoffe noch eine Beschichtung des Verdichterrades mit einem hochfesten Werkstoff benötigt werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein vor einer Beschädigung geschütztes Verdichterrad eines Abgasturboladers anzugeben, welches weder aus einem hochfesten Werkstoff besteht noch eine Beschichtung aus einem hochfesten Werkstoff aufweist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verdichterrad mit den im Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen im Wesentlichen darin, dass durch eine lokale Umwandlung des Leichtmetallmaterials der Oberflächen der Eintrittskanten der Schaufeln des Verdichterrades unter Verwendung eines Laserstrahls und eines Prozessgases erreicht wird, dass diese Eintrittskanten verhärtet werden, so dass ein verbesserter Schutz des Verdichterrades vor einer Beschädigung erreicht wird. Somit ist es nicht notwendig, kostenaufwendige hochfeste Materialien als Verdichterrad-Werkstoff oder als Beschichtungsmaterial für das Verdichterrad zu verwenden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Verdichterrad mit den erfindungsgemäßen Merkmalen vergleichsweise einfach herstellbar ist, da die zur Durchführung des Verfahrens benötigten Laserstrahlen und auch das benötigte Prozessgas jeweils in einfacher Weise gezielt auf die zu verhärtenden Teile des Verdichterrades geleitet werden können.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
1 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Verdichterrades eines Abgasturboladers,
2 eine vergrößerte Teilansicht des in der 1 gezeigten Verdichterrades zur besseren Veranschaulichung der Eintrittskanten der Schaufeln und der Flanken der Schaufeln,
3 eine vergrößerte Teilansicht des in der 1 gezeigten Verdichterrades zur besseren Veranschaulichung des Verdichterradzapfens und
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Schutz eines Verdichterrades vor einer Beschädigung.
Die 1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung des Verdichterrades eines Abgasturboladers. Dieses Verdichterrad weist Schaufeln 2 auf, bei denen es sich um Verdichterradhauptschaufeln und Verdichterradzwischenschaufeln handelt. Jede dieser Schaufeln 2 weist eine Eintrittskante 2a sowie Flanken 2b auf. Diese Flanken 2b weisen einen der Eintrittskante 2a benachbarten Teil und einen von der Eintrittskante 2a entfernt liegenden Teil auf. Im Bereich der Eintrittskanten 2a des Verdichterrades 2 tritt im Betrieb des Abgasturboladers das Luftgasgemisch ein, welches bei Kraftfahrzeugen mit Abgasrückführung kleine Feststoffpartikel, insbesondere Rußpartikel, enthält. Da sich im Betrieb des Abgasturboladers das Verdichterrad 1 mit einer sehr hohen Drehzahl dreht, kann es bei aus einem Leichtmetall bestehenden Verdichterrad durch die auf die Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 auftreffenden Feststoffpartikel zu einer Beschädigung bzw. einem Verschleiß der Eintrittskanten des Verdichterrades und damit des gesamten Verdichterrades kommen. Dadurch kann die Funktionsfähigkeit des Abgasturboladers eingeschränkt sein.
Dieser Nachteil wird bei der vorliegenden Erfindung vermieden, indem im Bereich der Oberflächen der Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 lokal dafür Sorge getragen wird, dass das Leichtmetallmaterial der Schaufeln unter Verwendung eines Laserstrahls und eines Prozessgases derart umgewandelt wird, dass die Oberflächen der Eintrittskanten verhärtet sind und dadurch einen besseren Schutz vor einer Beschädigung durch auftreffende Abgaspartikel bieten.
Dies wird nachfolgend anhand der 2–4 näher erläutert.
Die 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des in der 1 gezeigten, aus einem Leichtmetall bestehenden Verdichterrades, in welcher zwei der Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 des Verdichterrades 1 sowie zwei der Flanken 2b der Schaufeln des Verdichterrades und auch ein Teil des Verdichterradzapfens 3 vergrößert dargestellt sind. Aus dem gezeigten Teil des Verdichterradzapfens 3 ist ersichtlich, dass dieser eine Mantelfläche 3a und eine Stirnfläche 3b aufweist.
Die Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 des Verdichterrades 1 weisen gemäß der vorliegenden Erfindung eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche auf. Des Weiteren ist bei dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auch ein Teil der der laseroxidierten, verhärteten Oberfläche der Eintrittskanten 2a benachbarten Flanken 2b der Schaufeln 2 mit einer laseroxidierten, verhärteten Oberfläche versehen. Dieser Teil der der laseroxidierten, verhärteten Oberfläche der Eintrittskanten 2a benachbarten Flanken 2b der Schaufeln, der ebenfalls mit einer laseroxidierten, verhärteten Oberfläche ausgestattet ist, kann in Abhängigkeit vom jeweils vorliegenden Anwendungsfall unterschiedlich groß gewählt werden, wie es durch die Pfeile in der 2 veranschaulicht ist. Dieser Teil umfasst allerdings jeweils höchstens die Hälfte der Gesamtfläche einer Flanke, da sich dies als für die Praxis ausreichend gezeigt hat. Der von den Eintrittskanten entfernte Bereich der Flanken 2b ist nicht mit einer laseroxidierten, verhärteten Oberfläche versehen.
Die 3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des in der 1 gezeigten Verdichterrades zur besseren Veranschaulichung des Verdichterradzapfens 3, welcher eine Mantelfläche 3a und eine Stirnfläche 3b aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist auch dieser Verdichterradzapfen 3 eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche auf. Dabei ist diese laseroxidierte, verhärtete Oberfläche entweder im Bereich der Mantelfläche 3a oder im Bereich der Stirnfläche 3b oder sowohl im Bereich der Mantelfläche 3a als auch im Bereich der Stirnfläche 3b vorgesehen.
Die 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Schutz eines Verdichterrades vor einer Beschädigung. Dieses Verdichterrad weist Schaufeln und einen Verdichterradzapfen auf und besteht aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt in einem Schritt S1 ein Aufschmelzen der Oberfläche der Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 mittels eines Laserstrahles. Anschließend erfolgt in einem Schritt S2 eine Zuführung eines Prozessgases, welches sich mit der Schmelze verbindet. Danach erfolgt in einem Schritt S3 ein Verhärten der Oberfläche der Eintrittskanten 2a durch ein Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases.
Besteht das Verdichterrad 1 aus Aluminium, dann wird als Prozessgas Sauerstoff zugeführt. Dieser verbindet sich mit der durch Anwendung eines Laserstrahls gebildeten Schmelze im Bereich der Oberfläche der Eintrittskanten 2a zu einem Aluminiumoxid (Korund). Dieses weist nach dem Abkühlen bzw. Erstarren eine hohe Härte auf, so dass im Betrieb des Abgasturboladers die Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 des Verdichterrades 1 und damit auch das Verdichterrad 1 insgesamt vor einer Beschädigung durch aufprallende Feststoffpartikel, insbesondere Rußpartikel, geschützt sind, d. h. durch deren Aufprall nicht beschädigt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden zusätzlich zu den Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 des Verdichterrades 1 auch die den Eintrittskanten 2a benachbarten Teile der Flanken 2b der Schaufeln 2 durch eine Verhärtung von deren Oberfläche vor einer Beschädigung durch aufprallende Feststoffpartikel geschützt. Zu diesem Zweck wird auch ein Teil der der Oberfläche der Eintrittskanten 2a der Schaufeln 2 benachbarten Flanken 2b der Schaufeln 2 mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen und mit einem zugeführten Prozessgas beaufschlagt, welches sich mit der Schmelze verbindet. Nach einem Verhärten der Oberfläche des Teils der der Oberfläche der Eintrittskanten 2a benachbarten Flanken 2b der Schaufeln durch ein Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases liegt auch im genannten Teil der Flanken der Schaufeln die gewünschte laseroxidierte, verhärtete Oberfläche vor.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich auch der Verdichterradzapfen 3 mit einer laseroxidierten, verhärteten Oberfläche versehen. Zu diesem Zweck wird auch die Oberfläche des Verdichterradzapfens 3 mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen und mit einem Prozessgas, welches sich mit der Schmelze verbindet, beaufschlagt. Danach erfolgt ein Verhärten der Oberfläche des Verdichterradzapfens 3 durch ein Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases.
Bei der Erfindung erfolgt nach alledem eine Verwendung von Laserstrahlen und eines Prozessgases zu einer lokalen Umwandlung des Leichtmetallmaterials im Bereich der Oberfläche der Eintrittskanten der Schaufeln des Verdichterrades und – sofern gewünscht – auch in einem den Eintrittskanten der Schaufeln benachbarten Teilbereich der Flanken der Schaufeln sowie – falls weiterhin gewünscht – auch im Bereich der Oberfläche des Verdichterradzapfens jeweils zum Zwecke einer Bildung einer verhärteten Oberfläche. Durch diese laseroxidierte, verhärtete Oberfläche sind die genannten Bauteile vor einer Beschädigung durch im Betrieb des Abgasturboladers auftreffende Feststoffpartikel geschützt.
Besteht das Verdichterrad aus einem anderen Leichtmetall als Aluminium, dann werden außer Sauerstoff ein oder mehrere andere Gase als Prozessgas verwendet.
Ein Verdichterrad gemäß der Erfindung bietet Kostenvorteile, da kostenaufwendige Beschichtungen des Verdichterrades mit einem hochfesten Werkstoff und auch eine Verwendung von kostenaufwendigen, hochfesten Materialien für das gesamte Verdichterrad nicht benötigt werden.

Claims

Verfahren zum Schutz eines Schaufeln (2) und einen Verdichterradzapfen (3) aufweisenden, aus einem Leichtmetall bestehenden Verdichterrades (1) eines Abgasturboladers vor einer Beschädigung, mit folgenden Schritten: – Aufschmelzen der Oberfläche der Eintrittskanten (2a) der Schaufeln (2) mittels eines Laserstrahles, – Zuführen eines Prozessgases, welches sich mit der Schmelze verbindet, – Verhärten der Oberfläche der Eintrittskanten (2a) durch Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Oberfläche der Eintrittskanten (2a) der Schaufeln (2) auch ein Teil der der Oberfläche der Eintrittskanten (2a) benachbarten Flanken (2b) der Schaufeln (2) mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen und mit einem zugeführten Prozessgas beaufschlagt wird, welches sich mit der Schmelze verbindet, und Verhärten der Oberfläche des Teils der der Oberfläche der Eintrittskanten (2a) benachbarten Flanken (2b) der Schaufeln (2) durch ein Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Oberfläche des Verdichterradzapfens (3) mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen wird, mit einem Prozessgas, welches sich mit der Schmelze verbindet, beaufschlagt wird und Verhärten der Oberfläche des Verdichterradzapfens (3) durch ein Abkühlen des mit der Schmelze verbundenen Prozessgases.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (1) aus Aluminium besteht, als Prozessgas Sauerstoff zugeführt wird, der sich mit dem Aluminium im Bereich der Oberfläche der Eintrittskanten (2a) der Schaufeln (2) zu einem Aluminiumoxid verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad aus einem von Aluminium verschiedenen Leichtmetall besteht und dass als Prozessgas Sauerstoff und ein weiteres Gas verwendet wird.
Verdichterrad (1), welches aus einem Leichtmetall besteht und Schaufeln (2) sowie einen Verdichterradzapfen (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanten (2a) der Schaufeln (2) eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche aufweisen.
Verdichterrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein Teil der der laseroxidierten Oberfläche der Eintrittskanten (2a) benachbarten Flanken (2b) der Schaufeln (2) eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche aufweist.
Verdichterrad nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Verdichterradzapfen (3) eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche aufweist.