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Die
Erfindung betrifft ein Laufradgehäuse eines Turboladers, insbesondere
ein Turbinengehäuse,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Laufradgehäuses.
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Turbolader
weisen im Allgemeinen eine Abgasturbine auf, die in einem Abgasstrom
angeordnet ist und über
eine Turbowelle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist.
Das Turbinenrad der Turbine und das Verdichterrad des Verdichters
sind hierbei auf der gemeinsamen Turbowelle drehbar angeordnet.
Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind in einem jeweiligen Strömungsgehäuse bzw.
in einem Turbinengehäuse
und einem Verdichtergehäuse angeordnet.
Im Betrieb treibt nun der Abgasstrom, der durch das Turbinengehäuse geleitet
wird, das Turbinenrad an. Das Turbinenrad treibt wiederum das Verdich
terrad an, wodurch der Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors
erhöht,
so dass während
des Ansaugtaktes eine größere Menge
Luft in den Zylinder gelangt. Dies bewirkt, dass mehr Sauerstoff
zur Verfügung
steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge
verbrannt werden kann. Dadurch kann die Leistungsabgabe des Motors
erhöht werden.
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Durch
die Verschärfung
der Abgasgesetze für
Verbrennungsmotoren im PKW-Bereich wird der Serienstreuung von abgasrelevanten
Motorbauteilen, wie etwa den Kolben, der Nockenwelle oder dem Turbolader
immer mehr Bedeutung zugemessen. Bisher ist die Serienstreuung von
abgasrelevanten Motorbauteilen bezüglich der Einhaltung von Abgasnormen,
wie beispielsweise der Euronorm 4, noch tolerierbar.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laufradgehäuse eines
Turboladers bereitzustellen, bei welchem die Serienstreuung geeignet
reduzierbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Laufradgehäuses.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Laufradgehäuse für einen Turbolader mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Laufradgehäuse für einen
Turbolader bereitgestellt, wobei das Laufradgehäuse zumindest in einem Abschnitt
eines Querschnitts, d. h. eines Überströmungsquerschnitts
bzw. Übertrittsquerschnitts,
zwischen einem Laufrad und einer Spirale des Laufradgehäuses mechanisch
nachbearbeitet ist.
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Des
Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Laufradgehäuses eines
Turboladers bereitgestellt, mit den Schritten:
- – Bereitstellen
eines Laufradgehäuse-Rohteils und
- – Mechanisches
Bearbeiten des Laufradgehäuses
zumindest in einem Abschnitt eines Querschnitts, d. h. eines Überströmungsquerschnitts bzw. Übertrittsquerschnitts,
zwischen dem Laufrad und einer Spirale des Laufradgehäuses.
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Das
Laufradgehäuse
hat dabei den Vorteil, dass durch die mechanische Bearbeitung des
Querschnitts, d. h. des Überströmungsquerschnitts
bzw. Übertrittsquerschnitts
bzw. dessen Breite, der Toleranzbereich, d. h. hier die Streuung
der Brei te des Querschnitts weiter reduziert werden kann. Auf diese Weise
kann ein Laufradgehäuse
bereitgestellt werden, das auch zukünftige weiter verschärfte Abgasnormen
erfüllen
kann im Gegensatz zu den bisherigen Laufradgehäusen bei welchen ein unbearbeitetes
Gussrohteil eingesetzt wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Breite des Übertritts- bzw. Überströmungsquerschnitts
mechanisch nachbearbeitet. Der abgasrelevante Einfluss ist bei dem
Turbolader im Bereich der Strömungsgehäuse am Größten. Hierbei
ist be sonders der Überströmquerschnitt
bzw. Übertrittquerschnitt
zwischen dem jeweiligen Laufrad und der Spirale des Laufradgehäuses für die Streuung
relevant. Durch das Nachbearbeiten dieses Bereichs oder zumindest
eines Teils dieses Bereichs und die damit verbundene Reduzierung
der Serienstreuung des Turboladers, kann der abgasrelevante Einfluss des
Turboladers positiv beeinflusst werden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die mechanische Bearbeitung mittels Fräsen, Drehen und/oder einem
Laser durchgeführt.
Dies hat den Vorteil, dass auf einfache und sehr präzise Weise
eine Nachbearbeitung des Überströmungsquerschnitts
bzw. dessen Breite erfolgen kann, so dass die Streuung gezielt reduziert
werden kann.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Laufradgehäuse
aus Guss hergestellt. Das Gussgehäuse hat den Vorteil, dass es
als vorgegossenes Rohteil verhältnismäßig kostengünstig in
der Herstellung ist und außerdem
leicht anschließend
mechanisch nachbearbeitet werden kann.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Laufradgehäuse
ein Turbinengehäuse.
Auf diese Weise ist eine optimale Reduzierung der Serienstreuung
bei Turboladern mög lich
indem beispielsweise neben dem Turbinengehäuse erfindungsgemäß ausgebildet
wird.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
liegt die Übertrittsbreite
des Überströmungsquerschnitts
zwischen dem Laufrad und einer Spirale des Laufradgehäuses beispielsweise
in einem Bereich von kleiner 7 mm oder bis zu kleiner 5,5 mm liegt.
Das mechanisch bearbeitete Laufradgehäuse kann auf diese Weise verhältnismäßig kleine Übertrittsbreite
realisieren, wobei eine geringe Streuung der Laufradgehäuse gewährleistet
ist. Beispielsweise können Übertrittsbreiten
in einem Bereich von 5,5 mm bis 7 mm oder 3 mm bis 7 mm erreicht
werden. Größere Übertrittsbreiten
von größer 7 mm
sind ebenfalls möglich.
Für zukünftige Laufradgehäuse sind
aber gerade auch kleine Eintrittsbreiten von kleiner 5,5 mm usw.
von Bedeutung, insbesondere bei Turboladern für Kraftfahrzeuge bzw. Pkws.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer Radialturbine eines Turboladers;
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2 ein
Ausschnitt einer Turbine und deren Turbinengehäuses gemäß dem Stand der Technik; und
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3 ein
Ausschnitt einer Turbine und deren Turbinengehäuses gemäß der Erfindung.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist
zunächst
eine Schnittansicht eines Strömungsgehäuses 10 einer
Radialturbine 12 eines Turboladers gezeigt. In dem Strömungsgehäuse 10 bzw.
hier Turbinengehäuse
ist ein Turbinenrad 14 als Laufrad auf einer Turbowelle 16 angeordnet. Über den
Abgasstrom aus einer mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine
(nicht dargestellt) wird das Turbinenrad 14 angetrieben,
wobei das Turbinenrad 14 wiederum das Verdichterrad (nicht
dargestellt) antreibt.
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Für den Abgasturbolader
gilt nun, dass der abgasrelevante Einfluss im Bereich der Strömungsgehäuse 10 am
stärksten
streut. Dies gilt insbesondere für
den Überströmungs- bzw. Übertrittsquerschnitt 18,
d. h. den Querschnitt zwischen dem Laufrad 14 und der Spirale 20 des
Strömungsgehäuses 10 bzw.
Laufradgehäuses.
Genauer gesagt für
den Eintrittsquerschnitt 18 des Turbinengehäuse 10 und den
dazu korrespondierenden Austrittsquerschnitt des Verdichtergehäuses (nicht
dargestellt). Wie im nachfolgenden anhand von 2 noch
näher erläutert wird,
variiert die Eintrittsbreite des Turbinengehäuses bzw. entsprechend die
Austrittsbreite des Verdichtergehäuses besonders stark bei einem
Laufradgehäuse
aus einem Gussmaterial.
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2 zeigt
einen Ausschnitt einer Turbine 22 und deren Turbinengehäuses 10 gemäß dem Stand
der Technik. In dem Turbinengehäuse 10 ist hierbei
ein Turbinenrad 14 der Turbine 22 drehbar auf einer
Turbowelle (nicht dargestellt) angeordnet. Wie aus 2 entnommen
werden kann, weist der Überströmungsquerschnitt 18,
d. h. der Querschnitt (Eintrittsquerschnitt) des Turbinengehäuses 10 bei
dem Übertritt
zu dem Laufrad 14, eine große Streuung auf. Genauer gesagt
weist die Breite 24 bzw. die Eintrittsbreite des Turbinengehäuses 10 im Bereich
des Übertritts-
bzw. Überströmungsquerschnitts 18 hierbei
eine große
Streuung auf.
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In 2 ist
dabei ein Toleranzfeld 26 der unbearbeiteten Eintrittsbreite 24 des
Turbinengehäuses 10 gemäß dem Stand
der Technik eingezeichnet. Das Toleranzfeld 26 der unbearbeiteten
Eintrittsbreite 24 gibt dabei die entsprechenden Gusstoleranzen wieder,
die durch das Gießen
des Turbinengehäuses 10 entstehen
bzw. die die Gussrohteile im Allgemeinen aufweisen. Wie zuvor beschrieben
hat eine derartige breite Streuung des Übertrittsquerschnitts 18 des
Laufradgehäuses 10 den
Nachteil, dass sich weiter verschärfte Abgasnormen unter Umständen nicht geeignet
einhalten lassen können.
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In 3 ist
nun ein Ausschnitt einer Turbine 22 und deren Turbinengehäuses 10 gemäß der Erfindung
gezeigt. In dem Turbinengehäuse 10 ist
dabei ein Turbinenrad 14 auf einer Turbowelle (nicht dargestellt)
angeordnet. Gemäß der Erfindung
wird das Turbinengehäuse 10 zunächst gegossen
bzw. vorgegossen. Anschließend
wird das Turbinengehäuse 10 zumindest
in einem Abschnitt des Querschnitts 18 in dem Bereich des Übertritts
von dem Laufrad 14 zu der Spirale 20 des Laufradgehäuses 10 mechanisch nachbearbeitet,
beispielsweise mittels Fräsen,
Drehen und/oder einem Laser.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wird dabei die Breite 24 des
Eintrittsbereichs 18 des Turbinengehäuses 10 mechanisch
nachbearbeitet. Bei einem Verdichtergehäuse (nicht dargestellt) wird
entsprechend die Breite des Austrittsbereich mechanisch bearbeitet.
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Wie
in 3 gezeigt ist, kann hierbei auf einer oder beiden
Seiten 28, 30 Material im Bereich des Übertrittsquerschnitts 18 bzw. Überströmungsquerschnitts
abgetragen werden, um eine gewünschte
Soll-Breite 24 zu erzielen bzw. eine Breite 24 des Querschnitts 18,
welche in einem vorbestimmten Soll-Bereich liegt.
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In 3 ist
dabei ein Toleranzfeld 26 der bearbeiteten Eintrittsbreite 24 des Überströmungsquerschnitts 18 des
Turbinengehäuses 10 dargestellt.
Dabei kann man bei einem Vergleich der beiden Toleranzfelder 26 in
den 2 und 3 entnehmen, dass das Toleranzfeld 26 gemäß der Erfindung
in 3 deutlich kleiner ist als das Toleranzfeld 26 des Standes
der Technik in 2. Des Weiteren kann es bereits
ausreichen die Breite 24 nur im Bereich des Übertrittquerschnitts 18 bzw. Überströmungsquerschnitts
des Laufradgehäuses 10,
d. h. des Querschnitts des Laufradgehäuses 10 zwischen dem Laufrad 14 und
der Spirale 20 des Gehäuses 10,
mechanisch zu bearbeiten. Es ist nicht unbedingt notwendig beispielsweise
Material auch im Anschluss an den Überströmungsquerschnitt 10 im
Bereich weiter hin zu der Spirale 20 abzutragen, um eine
geeignete Reduzierung der Serienstreuung zu erhalten und ein verbessertes
Emissionsverhalten von Brennkraftmaschine und Turbolader.
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Gemäß der Erfindung
kann die Serienstreuung der Turbolader durch die mechanische Bearbeitung
des jeweiligen Überstromungsquerschnitts 18 des
entsprechenden Laufradgehäuses 10 gegenüber dem
Einsatz der reinen Rohteilkontur bei dem Stand der Technik deutlich
reduziert werden.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, die Streuung des thermodynami schen Verhaltens
des Turboladers gegenüber
der heute üblichen
Streuung einzuschränken.
Dazu wird der entsprechende Überströmungsquerschnitt 18 bzw. Übertrittquerschnitt
zwischen dem Laufrad 14 und dem der Spirale 20 des Laufradgehäuses 10 nicht
mehr nur gegossen sondern vorgegossen und anschließend mechanisch
bearbeitet. Diese Bearbeitung kann sowohl auf der Verdichterseite
bzw. an dem Verdichtergehäuse und/oder
auf der Turbinenseite bzw. an dem Turbinengehäuse 10 durchgeführt werden.
Die Erfindung bezieht sich auf Abgasturbolader, insbesondere kleine
Turbolader, wie Turbolader für
Kraftfahrzeuge bzw. PKWS usw.. Bei diesen Turboladern fällt das Verhältnis zwischen
Toleranz bzw. Streuung und Breitenmaß, d. h. Breite 24 des
Eintrittsbereichs beim Turbinengehäuse 10 besonders ungünstig aus.
Hier sind insbesondere Eintrittsbreiten (Turbinengehäuse) von
kleiner 5,5 mm zu sehen. Für
zukünftige
noch schärfere
Anforderungen als beispielsweise die Euronorm 6 ist auch der Bereich
von Eintrittsbreiten bzw. Austrittsbreiten von kleiner 7 mm nicht
auszuschließen.
Beispielsweise sind hierbei Bereiche für die Eintrittsbreite bei Turbinengehäusen zwischen
3 mm bis 5,5 mm bzw. 2,5 mm bis 7 mm denkbar. Die Erfindung ist
aber auf diese Bereiche nicht beschränkt. Je nach Funktion und Einsatzzweck
sind auch noch kleinere Einsatzbreiten grundsätzlich möglich bei einer verhältnismäßig geringen
Streuung durch die mechanische Bearbeitung des Laufradgehäuses.
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Die
Erfindung wurde zuvor anhand der 3 in Bezug
auf ein Turbinengehäuses 10 als
Laufradgehäuse
eines Turboladers erläutert.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorliegende Ausführungsform und ihre Abwandlungen
beschränkt,
sondern kann beliebig variiert werden. Des Weiteren ist die vorliegende
Erfindung insbesondere auf Turbolader für Kraftfahrzeuge bzw. Pkws
gerichtet. Die Erfindung kann aber auch auf jede andere Art von
Vorrichtung übertragen
werden bzw. Transportsystem bei welchem Turbolader eingesetzt werden.