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Die Erfindung betrifft ein Radialverdichtergehäuse der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ferner betrifft die Erfindung nach Patentanspruch 10 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Radialverdichtergehäuses.
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Aus
WO 01/00996 A1 ist bereits ein Radialverdichtergehäuse eines Turboladers bekannt, das zumindest drei Druckguss-Gehäuseteile aufweist, wobei das erste Druckguss-Gehäuseteil einteilig mit einem Überhang zur Bildung eines überhängenden Spiralkanals ausgeführt ist, der um eine Zentralachse umläuft. Der Spiralkanal wird auf der in einer Axialrichtung dem Überhang gegenüberliegenden Seite von einem Wandabschnitt begrenzt, der dem zweiten Druckguss-Gehäuseteil zugehörig ist. Die Teilungsflächen der drei Druckguss-Gehäuseteile liegen im Wesentlichen quer zur Zentralachse.
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Aus
DE 10 2008 036 633 A1 ist ein weiteres Radialverdichtergehäuse eines Turboladers bekannt. Das Radialverdichtergehäuse weist ein Druckguss-Gehäuseteil und ein Einlegeelement auf, das derart ausgebildet ist, dass es mit dem Druckguss-Gehäuseteil einen überhängenden Spiralkanal bildet. Nach
DE 10 2008 036 633 A1 wird bei Turboladern mit Radialverdichtern die Luft durch das Verdichterrad zunächst beschleunigt und dem Gas kinetische Energie zugeführt. In einem anschließenden Radialdiffusor werden tangentiale und radiale Geschwindigkeitskomponenten verzögert und so der notwendige statische Druck aufgebaut. Der charakteristische Außendurchmesser eines solchen Radialdiffusors ist normalerweise das 1,5-fache bis das 1,7-fache des Radialaustrittsdurchmessers. An den Diffusor schließt sich der Spiralkanal an, der das verdichtete Gas aufnimmt und dem Motor zuführt. Das Druckverhältnis des Radialverdichters hängt dabei in erster Näherung von seiner Drehzahl ab.
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Üblicherweise sind die strömungstechnischen Eigenschaften von solchen Radialverdichtergehäusen schlechter, die einteilig als Druckguss-Gehäuseteil gefertigt sind. Demgegenüber strömungstechnisch bessere Eigenschaften weisen Radialverdichtergehäuse auf, die mittels Schwerkraftgießen hergestellt werden, da beim Schwerkraftgießen weniger geometrische Beschränkungen zu berücksichtigen sind. Außerdem können Radialverdichtergehäuse beim Schwerkraftgießen üblicherweise kleiner hergestellt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radialverdichtergehäuse bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Radialverdichtergehäuses zu schaffen, das klein ist und dennoch strömungstechnisch sehr gute Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Radialverdichtergehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Radialverdichtergehäuses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Radialverdichtergehäuse eines Turboladers weist zumindest zwei Druckguss-Gehäuseteile auf, von denen das erste Druckguss-Gehäuseteil einteilig mit einem Überhang zur Bildung eines überhängenden Spiralkanals ausgeführt ist, der um eine Zentralachse umläuft. Ein Bereich des Spiralkanals wird auf der einen Seite von dem Überhang teilweise begrenzt. Auf der in einer Axialrichtung gegenüberliegenden Seite wird der Bereich von einem Wandabschnitt zumindest teilweise begrenzt. Der Wandabschnitt ist zur Bildung einer im Bereich des Spiralkanals um die Zentralachse umlaufenden Vertiefung einteilig am ersten Druckguss-Gehäuseteil angeordnet. Die Vertiefung ist in einer quer zur Zentralachse und von derselben wegweisenden Richtung hinterschnittfrei ausgeführt.
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Dadurch, dass das erste Druckguss-Gehäuseteil in Querrichtung, insbesondere in Radialrichtung hinterschnittfrei ist, kann das Druckgießen mittels Spiralkanal-Formwerkzeugen erfolgen, die insbesondere als Schieber oder Backen ausgeführt sein können und die zur Bildung eines Formnests quer, insbesondere radial zur Zentralachse verlagert werden können. Die damit ermöglichten Druckguss-Gehäuseteile nehmen axial als auch radial relativ wenig Bauraum ein.
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Eine besonders strömungsgünstige und einfach druckzugießende Form hat die Vertiefung, wenn dieselbe in der Art einer Rundmulde ausgeführt ist, die um die Zentralachse umläuft.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Radialverdichtergehäuses ist vorgesehen, dass das erste Druckguss-Gehäuseteil zumindest mittelbar, bewegungsfest und druckdicht mit dem zweiten Druckguss-Gehäuseteil verbunden ist, das einen weiteren Wandabschnitt aufweist, der eine radial äußere Begrenzung des Spiralkanals bildet.
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Um ein solches Radialverdichtergehäuse strömungsgünstig auszugestalten, kann vorgesehen sein, dass der weitere Wandabschnitt in einer Ebene der Zentralachse über eine Rundung in eine Diffusorrückwand übergeht, die gemeinsam mit dem Überhang, der eine Diffusorvorderwand bildet, einen Diffusorkanal bildet, der in den Bereich des Spiralkanals einmündet.
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Dem erfindungsgemäßen Radialverdichtergehäuse kann trotz der gestalterischen Beschränkungen durch das Druckgussverfahren eine relativ komplexe Form gegeben werden, wenn zwischen dem ersten Druckguss-Gehäuseteil und dem zweiten Druckguss-Gehäuseteil ein Zwischenstück angeordnet ist, das den Bereich des Spiralkanals teilweise begrenzt und das von dem einen Wandabschnitt zu dem weiteren Wandabschnitt führt.
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Damit das Radialverdichtergehäuse besonders wenig Bauraum einnimmt, kann vorgesehen sein, dass das erste Druckguss-Gehäuseteil vollständig innerhalb des zweiten Druckguss-Gehäuseteils angeordnet ist.
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Bei einer besonders strömungsgünstigen Form des Spiralkanals ist vorgesehen, dass der Überhang in einer Ebene der Zentralachse über einen bogenförmig gerundeten Spiralkanalgrund stetig in den einen Wandabschnitt übergeht.
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Zur Erleichterung der Montage der beiden Druckguss-Gehäuseteile kann vorgesehen sein, dass das zweite Druckguss-Gehäuseteil im unmontierten Zustand des Radialverdichtergehäuses derart entlang der Zentralachse und in Richtung auf den einen Wandabschnitt geschoben werden kann, dass eine diesem einen Wandabschnitt nahe stehende umlaufende Endkante des zweiten Druckguss-Gehäuseteils zur Herstellung einer Verbindung, insbesondere einer Schweißnaht, von außen zugänglich ist.
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Gemäß Patentanspruch 10 betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichtergehäuses. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden zumindest mittelbar aufeinander folgenden Verfahrensschritte:
- - Bildung eines Formnests durch Verlagerung zumindest eines Spiralkanal-Formwerkzeugs in Richtung auf eine Zentralachse des herzustellenden ersten Druckguss-Gehäuseteils,
- - Einspritzen eines Metalls in das Formnest, sodass das erste Druckguss-Gehäuseteil gebildet wird, mit dem der überhängende Spiralkanal radial innenseitig begrenzt ist durch einen bogenförmig gerundeten Spiralkanalgrund, der einerseits in den Überhang und andererseits in den einen Wandabschnitt übergeht,
- - Ziehen des Spiralkanal-Formwerkzeugs in die von der Zentralachse des ersten Druckguss-Gehäuseteils wegweisenden Richtung,
- - zumindest mittelbares, bewegungsfestes und druckdichtes Verbinden des ersten Druckguss-Gehäuseteils mit einem zweiten Druckguss-Gehäuseteil, das einen weiteren Wandabschnitt aufweist, der eine radial äußere Begrenzung des Spiralkanals bildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Dabei zeigen:
- 1 in einem Halbschnitt entlang einer Zentralachse ein Radialverdichtergehäuse und ein Verdichterrad eines ansonsten nicht näher dargestellten Abgasturboladers und
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Druckgussform mit einem Formnest zur Herstellung eines Druckguss-Gehäuseteils des Radialverdichtergehäuses gemäß 1.
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1 zeigt ein Radialverdichtergehäuse 1 und ein Verdichterrad 2 eines ansonsten nicht näher dargestellten Abgasturboladers für einen beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungsmotor. Der Abgasturbolader umfasst in üblicher Weise eine Turbine mit einem Turbinenrad, deren Turbinenradschaufeln im Abgasstrom des Verbrennungsmotors derart angeordnet sind, dass die Drehzahl des Turbinenrades mit steigendem Volumenstrom des Abgasstroms ebenfalls ansteigt.
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Das Turbinenrad ist um eine Rotationsachse drehbar, die zugleich die Zentralachse 3 des Verdichterrades 2 ist, dessen Nabe 4 über eine Welle 5 drehfest mit dem Turbinenrad verbunden ist, sodass sich das Verdichterrad 2 mit der Drehzahl des Turbinenrades um die Rotations- bzw. Zentralachse 3 dreht.
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Das Verdichterrad
2 ist dabei innerhalb des Radialverdichtergehäuses
1 angeordnet, das zwei Druckguss-Gehäuseteile
6,
7 und ein Zwischenstück
8 umfasst. Das erste Druckguss-Gehäuseteil
6 ist mittelbar - d. h. über das Zwischenstück
8 - bewegungsfest und druckdicht mit dem zweiten Druckguss-Gehäuseteil
7 verbunden. Die beiden Druckguss-Gehäuseteile
6,
7 und das Zwischenstück
8 begrenzen einen überhängenden Spiralkanal
9, der um die Zentralachse
3 umläuft. Der Spiralkanal
9 führt verdichtetes Gas in eine nicht näher dargestellte Mündungsöffnung, die innerhalb einer üblichen Auslassverbindung angeordnet ist, die beispielsweise entsprechend
WO 01/00996 A1 ausgeführt ist. Von der Mündungsöffnung aus wird das verdichtete Gas zusammen mit Kraftstoff zumindest einem Brennraum des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt.
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In den überhängenden Spiralkanal 9 wird das Gas über einen Diffusor 10 geleitet, der die Form eines schmalen Radialkanals hat, der um die Zentralachse 3 umläuft und der eine durchströmbare Verbindung zu einem Aufnahmeraum 11 innerhalb des Radialverdichtergehäuses 1 herstellt. In dem Radialverdichtergehäuse 1 ist das Verdichterrad 2 aufgenommen, das zum Ansaugen und zum Verdichten des Gases Schaufeln 12 aufweist.
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Durch eine zentrale Öffnung 13 des Radialverdichtergehäuses 1 saugt das rotierende Verdichterrad 2 das Gas an, das in verdichteter Form in den Diffusorkanal 10 geleitet wird, der in den Spiralkanal 9 einmündet. Der Diffusorkanal 10 wird durch einen Überhang 14 und eine Diffusorrückwand 15 gebildet. Der Überhang 14 bildet somit die Diffusorvorderwand und ist am ersten Druckguss-Gehäuseteil 6 angeordnet. Die Diffusorrückwand 15 ist hingegen am zweiten Druckguss-Gehäuseteil 7 angeordnet. Der Überhang 14 geht in einer Ebene der Zentralachse 3 über einen bogenförmig gerundeten Spiralkanalgrund 26 stetig in einen Wandabschnitt 19 über, sodass sich am ersten Druckgussteil 6 eine Vertiefung 35 bildet. Die Vertiefung 35 ist in der Art einer Rundmulde ausgeführt, die um die Zentralachse 3 umläuft.
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Die Diffusorrückwand 15 geht über eine Rundung 16 in einen weiteren Wandabschnitt 17 des zweiten Druckguss-Gehäuseteils 7 über.
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Ein stromab des Diffusors 10 angeordneter Bereich 18 des Spiralkanals 9 wird auf der bezüglich der Zentralachse 3 in Axialrichtung dem Überhang 14 gegenüberliegenden Seite 21 von dem einen Wandabschnitt 19 des Druckguss-Gehäuseteils 6 und dem Zwischenstück 8 begrenzt. Der eine Wandabschnitt 19 ist zur Bildung der im Bereich 18 des Spiralkanals 9 um die Zentralachse 3 umlaufenden Vertiefung 35 einteilig am ersten Druckguss-Gehäuseteil 6 angeordnet. Die Vertiefung 35 ist in einer quer zur Zentralachse 3 und von derselben wegweisenden Richtung hinterschnittfrei ausgeführt. Ausgehend von dem Spiralkanalgrund 26 nimmt die Breite der Vertiefung 35 in der quer zur Zentralachse 3 und von derselben wegweisenden Richtung zu.
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Das Zwischenstück 8 ist zwischen dem ersten Druckguss-Gehäuseteil 6 und dem zweiten Druckguss-Gehäuseteil 7 angeordnet. Mithin führt das Zwischenstück 8 von dem einen Wandabschnitt 19 zu dem weiteren Wandabschnitt 17. Das Zwischenstück 8 weist zur Verbindung mit den benachbarten Druckguss-Gehäuseteilen 6, 7 zwei Fügestellen 22, 23 auf, die jeweils mit einem innerhalb der Gehäusewand liegenden Absatz 24 bzw. 25 ausgeführt sind.
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An der radial äußeren Fügestelle 22 ist das Zwischenstück 8 mit dem zweiten Druckguss-Gehäuseteil 7 verbunden. Die radial äußere Fügestelle 22 ist derart ausgeführt, dass das zweite Druckguss-Gehäuseteil 7 entlang der Zentralachse 3 und in Richtung auf den einen Wandabschnitt 19 geschoben werden kann. Mithin ist eine diesem Wandabschnitt 19 nahe stehende umlaufende Endkante 27 des zweiten Druckguss-Gehäuseteils 7 zur Herstellung einer Verbindung an der radial äußeren Fügestelle 22 von außen zugänglich. Diese Verbindung kann insbesondere durch eine Schweißnaht hergestellt werden, die von außen aufgetragen wird.
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Anhand 2 ist ein Verfahren zur Herstellung des ersten Druckguss-Gehäuseteils 6 dargestellt. Bei dem Verfahren wird dementsprechend eine Druckgussform 32 verwendet. Zur Herstellung des Druckguss-Gehäuseteils 6 wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Formnest 33 gebildet, das von mehreren Spiralkanal-Formwerkzeugen 28, einem Kernteil-Formwerkzeug 29 und einer Bodenplatte 30 umschlossen ist.
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Die Spiralkanal-Formwerkzeuge 28 sind in der Art von Backen oder Schiebern ausgebildet und demzufolge mittels einer nicht näher dargestellten Backenführung gegenüber der Bodenplatte 30 verschiebbar. Das Formnest 33 wird gebildet bzw. geschlossen, indem die Spiralkanal-Formwerkzeuge 28 in Richtung auf die Zentralachse 3 verlagert werden und indem das Kernteil-Formwerkzeug 29 entlang der Zentralachse 3 in Richtung auf die Bodenplatte 30 verlagert wird.
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Die zwei, drei oder vier oder mehr Spiralkanal-Formwerkzeuge 28 sind dabei gleichmäßig am Umfang des Formnests 33 verteilt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt wird erhitztes flüssiges Material, in diesem Ausführungsbeispiel Metall, durch Kanäle 31 in das Formnest 33 eingespritzt. Diese Kanäle 31 sind dazu in die Bodenplatte 30 eingearbeitet und münden in das Formnest 33 ein. Ebenso könnte als Material auch Kunststoff eingesetzt werden.
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Als Folge dieses zweiten Verfahrensschritts wird das erste Druckguss-Gehäuseteil 6 gebildet.
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Damit die durch das eingespritzte Metall verdrängte Luft aus dem Formnest 33 entweichen kann, sind nicht näher dargestellte Entlüftungskanäle vorgesehen, die insbesondere in Kontaktbereichen zwischen dem Kernteil-Formwerkzeug 29 und den Spiralkanal-Formwerkzeugen 28 angeordnet sein können.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird das Formnest 33 geöffnet. Dazu werden zum einen die Spiralkanal-Formwerkzeuge 28 in die von einer Zentralachse 3 des ersten Druckguss-Gehäuseteils 6 wegweisenden Richtung gezogen. Zum anderen wird das Kernteil-Formwerkzeug 29 in die von der Bodenplatte 30 wegweisenden Richtung verlagert.
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Anschließend wird das Druckguss-Gehäuseteil 6 der Druckgussform 32 entnommen. Dazu kann eine Ausstoßeinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise Stifte umfasst, die in der Bodenplatte 30 geführt sind und ausgefahren werden können, um das Druckguss-Gehäuseteil 6 von der Bodenplatte 30 abzuheben.
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In einem folgenden Verfahrensschritt wird das erste Druckguss-Gehäuseteil 6 über das Zwischenstück 8 mit dem in 1 gezeigten zweiten Druckguss-Gehäuseteil 7 verbunden, das den weiteren Wandabschnitt 17 aufweist, der eine radial äußere Grenze des Spiralkanals 9 bildet. Insofern sind die beiden Druckguss-Gehäuseteile 6, 7 mittelbar, bewegungsfest und druckdicht miteinander verbunden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann auf das Zwischenstück 8 verzichtet werden, wobei dann der eine Wandabschnitt 19 entsprechend länger ist und unmittelbar mit dem weiteren Wandabschnitt 17 verbunden ist. Dieser weitere Wandabschnitt 17 kann - wie vorstehend dargestellt - Teil des zweiten Druckguss-Gehäuseteils 7 sein. Jedoch kann das zweite Druckguss-Gehäuseteil alternativ auch mehrteilig ausgeführt sein.
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Bei der Druckgussform 32 können beispielsweise zwei, drei oder vier radial verlagerbare Spiralkanal-Formwerkzeuge 28 vorgesehen sein, die insbesondere gleichmäßig über den Umfang des Formnests verteilt sind. In einer alternativen Ausführungsform kann auch nur ein einziges Spiralkanal-Formwerkzeug bewegbar sein, wobei dieses Spiralkanal-Formwerkzeug dann das erste Druckguss-Gehäuseteil 6 in einem Winkel von 180° umschließt, sodass das Druckguss-Gehäuseteil 6 nach dem Einspritzen des flüssigen Materials, in diesem Ausführungsbeispiel Metall, und nach dem Öffnen der Druckgussform 32 quer zur Längsachse 3 aus der Druckgussform 32 herausgezogen werden kann. In diesem Fall kann ein Ausstoß-Werkzeug vorgesehen sein, mit dem das Druckguss-Gehäuseteil 6 nach dem Druckgießen seitlich aus dem geöffneten Formnest 33 ausgestoßen wird.
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Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Spiralkanal-Formwerkzeug 28 exakt senkrecht bzw. radial zur Zentralachse 3 verlagert. Jedoch ist es auch möglich, das Spiralkanal-Formwerkzeug 28 in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel quer zur Zentralachse 3 zu verlagern. In diesem Fall muss die rundmuldenartige Vertiefung im ersten Druckguss-Gehäuseteil 6 ebenfalls gegenüber der Senkrechten geneigt sein, sodass das Spiralkanal-Formwerkzeug 28 aus der rundmuldenartigen Vertiefung herausgezogen werden kann.
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Anhand einer gestrichelten Linie 34 ist in 1 dargestellt, dass das Zwischenstück 8 auch derart ausgeführt sein kann, dass es einen gerundeten Übergang vom ersten Druckguss-Gehäuseteil 6 zum zweiten Druckguss-Gehäuseteil 7 schafft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 0100996 A1 [0002, 0021]
- DE 102008036633 A1 [0003]
- DE 102014214226 A1 [0004]
