WO2015058938A1 - Verfahren zum schutz des verdichterrades eines abgasturboladers vor einer beschädigung sowie verdichterrad - Google Patents
Verfahren zum schutz des verdichterrades eines abgasturboladers vor einer beschädigung sowie verdichterrad Download PDFInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for protecting the compressor wheel of an exhaust gas turbocharger from damage and a compressor wheel.
- To reduce the exhaust emissions of an automotive engine it is already known to supply a portion of the exhaust gas to the engine together with fresh air again.
- the recirculated exhaust gas are often small solid particles, especially soot particles.
- the fresh air-exhaust gas mixture is supplied to the combustion chamber of the engine via the compressor wheel of an exhaust gas turbocharger. In this case, those contained in the exhaust gas
- An object of the invention is to provide a method for protecting the compressor wheel of an exhaust gas turbocharger from damage in which neither high-strength materials nor a coating of the compressor wheel with a high-strength material are needed.
- Another object of the invention is to provide a protected from damage compressor wheel of an exhaust gas turbocharger, which neither from a high-strength material is still a coating of a high-strength material.
- the advantages of the invention are that by locally converting the light metal material of the surfaces of the leading edges of the blades of the compressor wheel using a laser beam and a process gas, these leading edges are hardened, thus providing improved protection of the compressor wheel damage is achieved.
- it is not necessary to use expensive high-strength materials as a compressor wheel ⁇ material or as a coating material for the comparison you terrad.
- a further advantage of the invention is that a compressor wheel with the features according to the invention is comparatively easy to produce, since the laser beams required for carrying out the method and also the required process gas can each be directed in a simple manner specifically to the parts of the compressor wheel to be hardened.
- Figure 1 is a representation for illustrating the
- FIG. 2 shows an enlarged partial view of the one shown in FIG.
- FIG. 3 shows an enlarged partial view of that shown in FIG.
- FIG. 4 shows a flowchart for illustrating a method for protecting a compressor wheel from damage.
- FIG. 1 shows a representation to illustrate the compressor wheel of an exhaust gas turbocharger.
- This compressor wheel has blades 2, which are compressor wheel main blades and intermediate compressor blades. Each of these blades 2 has an entry edge 2a and flanks 2b. These flanks 2b have a part adjacent to the leading edge 2a and a part remote from the leading edge 2a.
- the air-gas mixture enters, which contains small solid particles, in particular soot particles, in motor vehicles with exhaust gas recirculation.
- the Ver ⁇ dichterrad 1 rotates at a very high speed during operation of the exhaust gas turbocharger, it can damage or wear of the inlet edges of the compressor wheel and thus with a consisting of a light metal compressor wheel by the impinging on the inlet edges 2a of the blades 2 solid particles the entire compressor wheel come. As a result, the functionality of the exhaust gas turbocharger may be limited.
- Alloy material of the blades is converted using a laser beam and a process gas such that the surfaces of the leading edges are hardened and thereby provide better protection against damage by impacting exhaust particles.
- Figure 2 shows an enlarged partial view of the in the figure
- Ver Whyrradzapfens 3 it can be seen that this has a Man ⁇ tel Chemistry 3a and an end face 3b.
- the leading edges 2a of the blades 2 of the compressor wheel 1 according to the present invention have a laser-oxidized, hardened surface. Furthermore, in the case of FIG.
- flanks 2b of the blades 2 adjacent to the laser-oxidized, hardened surface of the inlet edges 2a are also provided with a laser-oxidized, hardened surface.
- This part of the laseroxid striv, hardened surface of the leading edge 2a adjacent edges 2b of the vanes, which is also equipped with a laseroxid striv, hardened surface can be chosen un ⁇ differently sized depending on the particular application case, as shown by the arrows in the figure 2 is illustrated. However, this part comprises at most half of the total area of a flank, since this has proven to be sufficient for the practice.
- the portion of the flanks 2b remote from the leading edges is not provided with a laser-oxidized, hardened surface.
- FIG. 3 shows an enlarged partial view of the compressor wheel shown in FIG. 1 for better illustration of the compressor wheel journal 3, which has a jacket surface 3a and an end face 3b.
- the invention also includes these He ⁇ Ver emphasizerradzapfen 3 to a laseroxidiert, hardened surface.
- this laser ⁇ oxidized, hardened surface is provided either in the region of the outer surface 3a or in the region of the end face 3b or both in the area of the lateral surface 3a and in the region of the end face 3b.
- 4 shows a flow chart illustrating a method for protecting a compressor wheel in front of a loading ⁇ damage.
- This compressor wheel has blades and a Ver emphasizerradzapfen and consists of a light metal, preferably aluminum.
- a step S1 the surface of the entry edges 2a of the blades 2 is melted by means of a laser beam. Subsequently, in a step S2, a supply of a process gas, which connects to the melt. Thereafter, in a step S3, hardening of the surface of the entry edges 2a occurs by cooling the process gas associated with the melt. If the compressor 1 of aluminum, then as
- Process gas supplied to oxygen This connects to the melt formed by the application of a laser beam in the region of the surface of the entrance edges 2a to an aluminum oxide (corundum).
- This has according to the purpose of cooling or rigid high hardness, so that the leading edge 2a of the blades 2 of the impeller 1 and therefore also the compressor 1, protected in the operation of the exhaust ⁇ turbocharger total from damage by impinging solid particles, in particular soot particles are, ie not damaged by their impact.
- a second embodiment of the invention will also be protected entry edges 2a adjacent portions of the edges 2b of the vanes 2 by a hardening of the surface thereof from being damaged by impacting hard ⁇ material particles in addition to the leading edge 2a of the blades 2 of the compressor wheel. 1
- a part of the surface of the inlet edges 2a of the blades 2 adjacent flanks 2b of the blades 2 is melted by means of a laser beam and acted upon by a supplied process gas, which connects to the melt.
- the compressor wheel journal 3 is additionally provided with a laser-oxidized, hardened surface.
- the surface of the Ver emphasizerradzapfens 3 is melted by means of a laser beam and applied to a process gas which connects to the melt. Thereafter, a hardening of the surface of Ver emphasizerradzapfens 3 by cooling the process gas connected to the melt.
- Ver Whyrradzapfens each for the purpose of forming a hardened surface By means of this laser-oxidized, hardened surface, the named components are protected against damage by solid particles impinging during operation of the exhaust-gas turbocharger.
- the compressor wheel is made of a different light metal than aluminum, then one or more gases other than oxygen are used as the process gas.
- a compressor wheel according to the invention offers cost advantages, since costly coatings of the compressor wheel with a high-strength material and also a use of costly, high-strength materials for the entire compressor wheel are not needed.
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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
Beschreibung
Verfahren zum Schutz des Verdichterrades eines Abgasturboladers vor einer Beschädigung sowie Verdichterrad
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 bei- spielsweise 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 Pro- zessgases 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 Verdichter¬ rad-Werkstoff oder als Beschichtungsmaterial für das Ver- dichterrad 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
Figur 1 eine Darstellung zur Veranschaulichung des
Verdichterrades eines Abgasturboladers, Figur 2 eine vergrößerte Teilansicht des in der Figur 1 gezeigten
Verdichterrades zur besseren Veranschaulichung der Eintrittskanten der Schaufeln und der Flanken der Schaufeln,
^
Figur 3 eine vergrößerte Teilansicht des in der Figur 1 gezeigten
Verdichterrades zur besseren Veranschaulichung des Verdichterradzapfens und Figur 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Schutz eines Verdichterrades vor einer Beschädigung .
Die Figur 1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung des Verdichterrades eines Abgasturboladers. Dieses Verdichterrad weist Schaufeln 2 auf, bei denen es sich um Verdichterradhauptschaufeln und Verdichterradzwischenschaufein 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 Ver¬ dichterrad 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 Figuren 2 - 4 näher erläutert.
Die Figur 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des in der Figur
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 Man¬ telfläche 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 Figur
2 gezeigten Ausführungsbeispiel auch ein Teil der der laser- oxidierten, verhärteten Oberfläche der Eintrittskanten 2a benachbarten Flanken 2b der Schaufeln 2 mit einer laseroxi- dierten, 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 un¬ terschiedlich groß gewählt werden, wie es durch die Pfeile in der Figur 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 Figur 3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des in der Figur 1 gezeigten Verdichterrades zur besseren Veranschaulichung des Verdichterradzapfens 3, welcher eine Mantelfläche 3a und eine Stirnfläche 3b aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Er¬ findung weist auch dieser Verdichterradzapfen 3 eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche auf. Dabei ist diese laser¬ oxidierte, 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 Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Schutz eines Verdichterrades vor einer Be¬ schädigung. 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 Sl 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. Er- starren eine hohe Härte auf, so dass im Betrieb des Abgas¬ turboladers 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 Fest¬ stoffpartikel 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 laseroxi- dierten, 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 Ein¬ trittskanten 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 Fest- stoffpartikel 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
1. 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.
2. 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 .
3. 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.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (1) aus Aluminium be¬ steht, als Prozessgas Sauerstoff zugeführt wird, der sich mit dem Aluminium im Bereich der Oberfläche der Eintrittskanten (2a) der Schaufeln (2) zu einem Aluminiumoxid verbindet.
5. 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.
6. 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 .
7. 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.
8. Verdichterrad nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Verdichterradzapfen (3) eine laseroxidierte, verhärtete Oberfläche aufweist.
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