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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und ist mit besonderem Vorteil in der Automobiltechnik anwendbar. Konkret bezieht sich die Erfindung auf einen Abgasturbolader.
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Viele moderne Verbrennungsmaschinen verfügen zur Erhöhung der Ausnutzung des Kraftstoffs sowie zur Leistungserhöhung und für einen ressourcen- und umweltschonenden Betrieb über einen Abgasturbolader. Ein derartiger Turbolader weist im Abgasstrom des Verbrennungsmotors eine durch diesen Abgasstrom antreibbare Turbine sowie einen Verdichter auf, der im angesaugten Gasstrom angeordnet ist und der die angesaugte, dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft verdichtet. Die Abgasturbine und der Verdichter sind mittels einer Welle miteinander verbunden, so dass die Turbine das Verdichterrad antreibt.
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Zur verbesserten Steuerung des Abgasstroms ist auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors im Bereich der Turbine eine Wastegate-Öffnung vorgesehen, die einen Bypasskanal für den Abgasstrom zur Verfügung stellt und die mittels einer Wastegate-Klappe gesteuert verschließbar ist. Hierdurch kann je nach den Betriebsbedingungen der Abgasstrom ganz oder teilweise der Turbine des Turboladers zugeführt werden. Die Steuerung der Wastegate-Klappe geschieht üblicherweise auf mechanischem Wege mittels einer Regelstange, die von einem Aktuator antreibbar ist. Üblicherweise treibt die Regelstange mittels eines Hebels eine Wastegate-Spindel oder Wastegate-Welle an, an der innerhalb der Turboladereinrichtung die Wastegate-Klappe befestigt ist.
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Verschiedene gattungsgemäße Abgasturbolader bzw. Wastegate-Einrichtungen für Klappenventile sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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So offenbart beispielsweise Dokument
EP 2 708 716 A1 ein Wastegate-Ventil für einen Abgasturbolader mit einer einzelnen runden Wastegate-Öffnung, das als sogenanntes Schwenkklappen-Ventil ausgeführt ist, wobei dessen runde Wastegate-Klappe mittels eines Hebelarms an einer Drehspindel, um die Rotationsachse der Drehspindel schwenkbar angeordnet ist und dessen Dichtfläche bzw. dessen Ventilsitz eine Torus-Geometrie zur Gewährleistung eines verbesserten Dichtsitzes aufweist.
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Dokument
DE 20 2012 005 834 U1 dagegen offenbart einen Kopplungsmechanismus zum Koppeln einer linear betätigten Aktuatorstange an ein Wastegate-Ventil, zur Umsetzung der Linearbewegung der Aktuatorstange in eine Drehbewegung der Drehspindel des Wastegate-Ventils.
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Weiterhin offenbaren die Dokumente
JP 2004 332 686 A ,
JP 3 124 157 B2 und
JP H02 30927 A Wastegate-Ventil-Anordnungen, die ebenfalls als Schwenkklappen-Ventil ausgeführt sind und einen mittels eines Hebelarms an einer Drehspindel angeordnete, modifizierte Wastegate-Klappen aufweisen. Diese weisen eine, gegenüber einer runden Klappengeometrie, parallel zur Drehachse der Drehspindel gestreckte Grundform auf, um ggf. mehrere nebeneinander angeordnete Wastegate-Öffnungen gleichzeitig abdecken zu können.
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Weitere alternative Bauformen von Wastegate-Ventilen werden in den Dokumenten
DE 10 2012 207 104 A1 und
DE 10 2013 010 514 A1 vorgestellt. Diese Bauformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die teller- bzw. flächenförmigen Wastegate-Klappen eine Deckfläche zum Freigeben und Verschließen der Wastegate-Öffnung durch Rotation der Wastegate-Klappe aufweisen, wobei die Rotationsachse parallel zur Deckfläche und gesehen aus einer Richtung senkrecht zur jeweiligen Deckfläche der Wastegate-Klappe, in einem Bereich innerhalb der Deckfläche angeordnet ist. Im Gegensatz zu den vorgenannten Ausführungsformen, die als Schwenkklappen-Ventile bezeichnet werden können, bei denen die Wastegate-Klappe durch eine Schwenkbewegung von der Wastegate-Öffnung abgehoben wird um diese frei zu geben, wird hier die Wastegate-Klappe im Bereich der Wastegate-Öffnung gedreht um diese frei zu geben, weshalb hierbei auch von Drehklappen-Ventilen gesprochen wird.
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Eine wichtige Anforderung an das Wastegate-System ist, dass die Wastegate-Klappe gegen den Abgasdruck sicher geschlossen werden und geschlossen gehalten werden kann. Die Sicherstellung dieser Anforderung hängt im Wesentlichen von der Kräftebilanz ab, die auf die Wastegate-Klappe wirkt. Auf diese wirkt einerseits der Abgasdruck sowie andererseits der durch das Drehmoment der Welle bereitgestellte Anpressdruck. Für ein sicheres und festes Schließen der Klappe ist es notwendig, dass die durch die Welle wirkende Kraft auf die Klappe größer ist als die Abgaskraft. Zur Vergrößerung der Anpresskraft kann entweder der Antriebshebel der Wastegate-Welle außerhalb des Turbinengehäuses besonders groß und/oder der Abstand der Wastegate-Klappe von der Rotationsachse möglichst gering gewählt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass der Anpressdruck auf die Wastegate-Klappe möglichst groß wird.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor mit einer Turbine und einem mit dieser mittels einer Welle verbundenen Verdichterrad sowie mit einer Wastegate-Einrichtung, die einen Wastegate-Aktuator, eine um eine Rotationsachse drehbare Wastegate-Antriebswelle sowie eine an dieser befestigte und um die Rotationsachse schwenkbare Klappe mit einer Deckfläche zum potenziellen Freigeben und Verschließen einer Wastegate-Öffnung aufweist, wobei die gesamte Deckfläche (9), gesehen aus der zur Deckfläche (9) senkrecht stehenden Richtung, auf einer Seite der Rotationsachse (6) liegt und wobei die Wastegate-Klappe und die durch diese verschließbare Wastegate-Öffnung derart gestaltet und angeordnet sind, dass der Abstand des Flächenschwerpunkts der die Wastegate-Öffnung abdeckenden Deckfläche der Wastegate-Klappe von der Rotationsachse kleiner ist als der Radius einer bei gleichem Flächeninhalt kreisförmigen Fläche.
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Der Anpressdruck der Wastegate-Klappe auf die Wastegate-Öffnung bzw. auf den dichtenden Rand der Öffnung hängt davon ab, wie weit im Mittel der dichtende Rand der Wastegate-Klappe, der die Begrenzungskante der Deckfläche bildet, von der Rotationsachse der Wastegate-Antriebswelle entfernt ist. Diese Größe lässt sich durch die Lage des Flächenschwerpunkts der die Wastegate-Öffnung abdeckenden Deckfläche bezüglich der Rotationsachse der Wastegate-Antriebswelle beschreiben. Beispielsweise lässt sich der Flächenschwerpunkt der Deckfläche der Wastegate-Klappe näher zur Rotationsachse verschieben, indem die Deckfläche parallel zur Rotationsachse in die Länge gezogen und quer zur Rotationsachse gestaucht wird, wenn von einer gleichbleibenden Größe der Deckfläche ausgegangen wird. Deshalb lässt sich der Anpressdruck der Wastegate-Klappe auf den dichtenden Rand der Wastegate-Öffnung bei gleichbleibender Größe der Öffnung bzw. der Deckfläche durch die erwähnte Formung der Deckfläche und die dadurch mögliche nähere Anordnung des Flächenschwerpunktes der Deckfläche an der Rotationsachse der Wastegate-Antriebswelle vergrößern.
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Besonders vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass die Wastegate-Klappe und die durch diese verschließbare Wastegate-Öffnung derart gestaltet und angeordnet sind, dass der Mindestabstand der Deckfläche von der Rotationsachse, gesehen aus der zur Deckfläche senkrecht stehenden Richtung, möglichst gering ist.
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Vorteilhaft wird, wie auch bei einer kreisförmigen Gestaltung der Deckfläche der Wastegate-Klappe, diese von der Rotationsachse gerade so weit beabstandet, dass der Mindestabstand der Deckfläche von der Rotationsachse einer Toleranzgröße entspricht, so dass auch bei voller Ausschöpfung der Toleranz die gesamte Deckfläche auf einer Seite der Rotationsachse liegt und bei einem Aufschwenken der Wastegate-Klappe die Wastegate-Öffnung vollständig geöffnet werden kann.
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Die Erfindung kann zudem vorteilhaft vorsehen, dass die Deckfläche wenigstens eine gerade Kante aufweist, die insbesondere parallel zur Rotationsachse ist oder mit dieser einen Winkel einschließt, der kleiner als 10 Grad ist. Eine derartige Kante kann beispielsweise die der Rotationsachse zugewandte Seitenkante der Deckfläche bilden oder die der Rotationsachse abgewandte Seite.
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Es kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die Deckfläche wenigstens zwei gerade Kanten aufweist, wobei die beiden Kanten insbesondere parallel zueinander sind oder zwischen sich einen Winkel einschließen, der kleiner als 10 Grad ist.
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Die Deckfläche kann unregelmäßig, jedoch durch gerade Linien begrenzt, oder unregelmäßig geformt und durch unregelmäßige Linien begrenzt sein. Sie kann beispielsweise eine Kante auf der der Rotationsachse zugewandten Seite aufweisen, die im Wesentlichen zur Rotationsachse parallel ist, sowie eine parallele Kante auf der der Rotationsachse abgewandten Seite der Deckfläche. Weist die Deckfläche auf ihrer der Rotationsachse zugewandten Seite eine gerade und zur Rotationsachse parallele Kante auf, so sollte diese Kante planmäßig von der Rotationsachse wenigstens um den oben genannten Toleranzabstand beabstandet sein.
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Die Deckfläche kann beispielsweise dreieckig, rechteckig, trapezförmig, elliptisch oder rautenförmig gestaltet sein. Bei einer elliptisch oder rautenförmig gestalteten Form, kann diese vorteilhaft parallel zur Rotationsachse gestreckt und senkrecht zu dieser gestaucht sein. Die Deckfläche kann beispielsweise bezüglich einer Achse, die zur Rotationsachse senkrecht steht, spiegelsymmetrisch gestaltet sein. Die entsprechende Dichtfläche an der Wastegate-Öffnung sollte dann jeweils eine entsprechende Formgebung aufweisen.
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Es kann weiter vorteilhaft vorgesehen sein, dass die die Deckfläche umgebende Dichtfläche der Klappe eben und parallel zur Ebene der Deckfläche ist.
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Hierdurch ist eine sichere und zuverlässige Abdichtung der Wastegate-Öffnung mittels der Wastegate-Klappe unter dem Einfluss der Anpresskraft auch gegen einen Gasdruck möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die die Deckfläche umgebende Dichtfläche der Wastegate-Klappe gegenüber der Deckfläche geneigt ist. Dies beinhaltet, dass die die Deckfläche umgebende Dichtfläche der Klappe konisch verläuft oder kalottenförmig ausgebildet ist.
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Wenn die Dichtfläche an der Deckfläche gegenüber der Deckfläche geneigt ist, kann mittels der beim Schließen der Klappe wirkenden Querkräfte eine Zentrierung der Wastegate-Klappe auf der Wastegate-Öffnung, somit eine bessere Abdichtung und damit ein besserer Wirkungsgrad des Abgasturboladers erreicht werden. Dabei können sämtliche Bereiche der Dichtfläche um die Deckfläche herum entweder alle zum Inneren der Deckfläche hin oder alle nach außen von der Deckfläche weg die gleiche Neigung aufweisen. Eine konische oder kalottenförmige Gestaltung der Dichtfläche um die Deckfläche herum erlaubt eine besonders effiziente Abdichtung und Zentrierung der Wastegate-Klappe in der Wastegate-Öffnung.
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Es kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Deckfläche einen Aufsatz aufweist, der beim Schließen in die Wastegate-Öffnung hineinreicht. Das Vorsehen eines derartigen Aufsatzes erleichtert die Strömungsführung beim Öffnen der Klappe sowie die Gestaltung eines freien Kanals bei geöffneter Wastegate-Klappe.
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Dabei kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Dicke des Aufsatzes von dem Bereich der Wastegate-Klappe aus, der der Rotationsachse am nächsten ist, mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse zunimmt. Mit einer derartigen Gestaltung des Aufsatzes auf die Wastegate-Klappe wird sichergestellt, dass auch in dem der Rotationsachse nahen Bereich der Wastegate-Klappe der Aufsatz, insbesondere zu Beginn der Öffnungsbewegung oder zum Ende der Schließbewegung, am Rand der Wastegate-Öffnung nicht stört.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung der Funktionselemente eines Abgasturboladers, gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Abgasturboladers, gemäß dem Stand der Technik, teilweise geschnitten,
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3 eine Ansicht der Regelstange des Abgasturboladers, gemäß dem Stand der Technik, im oberen Bereich der Darstellung, während im unteren Bereich ein Schnitt gemäß der Linie A-A im oberen Teil darstellt ist, der auch die Wastegate-Klappe und den Wastegate-Kanal im Schnitt in Frontalansicht zeigt,
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4 eine geschnittene Darstellung der Wastegate-Klappe mit ihrer Antriebswelle, in Frontalansicht wie in 3,
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5 eine schematische Darstellung einer Wastegate-Klappe mit ihrer Antriebswelle, gemäß dem Stand der Technik, gesehen aus der zur Deckfläche senkrecht stehenden Richtung,
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6 eine weitere schematische Darstellung der Wastegate-Klappe gemäß 5,
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7 eine erfindungsgemäße Wastegate-Klappe in Dreiecksform, in schematischer Darstellung wie in 5,
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8 eine erfindungsgemäße Wastegate-Klappe in Rechteckform, in schematischer Darstellung wie in 5,
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9 eine erfindungsgemäße Wastegate-Klappe in einer abgeflachten Teilkreisform, in schematischer Darstellung wie in 5,
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10 die Darstellung von vier weiteren geometrischen Formen von erfindungsgemäßen Wastegate-Klappen, in schematischer Darstellung wie in 5,
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11 drei Ansichten einer runden Wastegate-Klappe gemäß dem Stand der Technik, in verschiedenen Perspektiven,
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12 drei Ansichten einer erfindungsgemäßen Wastegate-Klappe, gemäß einer abgeflachten Teilkreisform, in verschiedenen Perspektiven,
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13 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen dreieckigen Wastegate-Klappe mit einem Aufsatz auf der Innenseite,
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14 drei Ansichten einer kreistellerförmigen Wastegate-Klappe gemäß dem Stand der Technik, mit einer konisch verlaufenden Dichtfläche,
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15 drei Ansichten einer erfindungsgemäßen Wastegate-Klappe, gemäß einer abgeflachten Teilkreisform, mit einer kalottenförmigen Dichtfläche,
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16 eine weitere Ansicht Wastegate-Klappe gemäß 15, gesehen aus der zur Deckfläche senkrecht stehenden Richtung, mit ihrer Antriebswelle sowie
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17 eine Schnittdarstellung der Wastegate-Klappe aus 16, geschnitten entlang der Linie B-B in 16.
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1 stellt schematisch die Elemente eines Abgasturboladers dar. Dieser ist baulich mit einem Verbrennungsmotor 1 verbunden, der einen Ansaugkanal 1a sowie einen Abgaskanal 1b aufweist. Durch den Ansaugkanal 1a wird Umgebungsluft für die Verbrennung angesaugt, während durch den Abgaskanal 1b die während des Verbrennungsprozesses aufgeheizten Verbrennungsprodukte, hauptsächlich in Gasform, ausgestoßen werden.
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Im Abgaskanal 1b ist eine Abgasturbine 2 angeordnet, die durch die ausgestoßenen Abgase angetrieben wird. Diese ist mittels einer Welle 3 mit einem Verdichterrad 4 verbunden. Im Betrieb der Turboladereinrichtung wird das Verdichterrad 4 derart angetrieben, dass es die durch den Ansaugkanal 1a angesaugte Luft zusätzlich verdichtet, so dass für den Verbrennungsprozess verdichtete Ansaugluft zur Verfügung steht, der pro Zylinderhub mehr Kraftstoff zugemischt werden kann, so dass das Drehmoment des Motors erhöht werden kann.
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In dem Ansaugkanal 1a sind eine Drosselklappe 1c zur Steuerung der Ansaugluft, ein (nicht dargestellter) Luftfilter vor dem Verdichterrad 4 sowie ein Luftmengenmesser vor dem Verdichterrad 4 und ein Ladeluftkühler hinter dem Verdichterrad 4 vorgesehen. Erwähnenswert ist weiterhin die potenzielle Anordnung eines Katalysators im Abgaskanal 1b hinter der Turbine 2.
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Im aufgeladenen Betrieb ist die Drosselklappe 1c vollständig geöffnet.
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Es ist eine Regelung der Aufladung durch Ablassen eines Teils des Abgasmassenstroms auf der Turbinenseite durch das sogenannte Wastegate-Einrichtung 10 mit einer Wastegate-Öffnung möglich, wodurch ein Bypasskanal geöffnet wird, der es erlaubt, Teile der Abgase an der Turbine 2 vorbeizuleiten.
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das Turbinengehäuse 15, in dem die Wastegate-Einrichtung 10 angeordnet ist. Diese wird über einen elektrischen Wastegate-Aktuator 5 betätigt, der an einem Halter am Verdichtergehäuse 14 angebracht ist. Zwischen dem Turbinengehäuse 15 und dem Verdichtergehäuse 14 befindet sich eine Rumpfgruppe, in der die gemeinsame Welle 3 der Abgasturbine 2 und des Verdichterrads 4 untergebracht ist. Im Vordergrund ist die Abgasturbine 2 zu erkennen.
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Die Regelstange des Aktuators 5 ist mit 5a bezeichnet. Sie weist als Elemente, wie in 3 ersichtlich, einen Stößel 18 auf, der in seiner Längsrichtung beweglich ist, sowie ein Gelenk 16 und eine Fortsetzung 17, die an den Hebel 19 der Wastegate-Antriebswelle 7 angekoppelt ist. Das Gelenk 16 ist zum Ausgleich der Kreisbewegung des Hebels 19 notwendig, da der Stößel 18 lediglich axial beweglich ist. Über den Aktuator 5 kann somit die Wastegate-Antriebswelle 7 zur Betätigung der Wastegate-Klappe 8 rotatorisch angetrieben werden.
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In der oberen Hälfte der 3 ist die Schnittlinie A-A angedeutet, entlang deren im unteren Teil der 3 ein Querschnitt gezeigt ist. Der Querschnitt zeigt einen Teil des Turbinengehäuses 15 mit der Wastegate-Öffnung 10a, der Wastegate-Klappe 8 und der Wastegate-Antriebswelle 7. Auch in dem unteren Figurenteil sind der Stößel 18 sowie das Gelenk 16 und die Fortsetzung 17 der Regelstange 5a zu erkennen.
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In 4 sind die Kräfteverhältnisse der auf die Wastegate-Klappe 8 wirkenden Kräfte mittels Pfeilen dargestellt, die deren Wirkrichtung angeben. Zunächst wirkt die Betätigungskraft FAct', die durch die Regelstange 5a und die Antriebswelle 7 auf die Wastegate-Klappe 8 übertragen wird. Als Gegenkräfte wirken die Kraft FGas, die durch den Gasdruck in der Wastegate-Einrichtung erzeugt wird, sowie die Kraft FSitz, die die Presskraft auf den Dichtungssitz der Wastegate-Öffnung bildet. Soll die Kraft auf den Dichtungssitz möglichst groß werden, so bietet es sich an, die auf die Wastegate-Klappe 8 durch die Wastegate-Antriebswelle 7 übertragene Kraft FACt' zu maximieren.
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Hierzu ist es, wie in der 5 einfach ersichtlich ist, besonders vorteilhaft, wenn der Lastarm L, also der aus der zur Deckfläche 9 senkrecht stehenden Richtung gesehene senkrecht zur Rotationsachse 6 der Antriebswelle 7 gemessene Abstand, zwischen dem Flächenschwerpunkt 11 der Deckfläche 9 der Wastegate-Klappe 8 und der Rotationsachse 6 der Antriebswelle 7 möglichst kurz ist. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, die Deckfläche 9 der Wastegate-Klappe 8 möglichst dicht an die Rotationsachse 6 der Wastegate-Antriebswelle 7 heranzurücken. Hierdurch kann bei gleichem Drehmoment der Wastegate-Antriebswelle 7 eine größere Anpresskraft der Wastegate-Klappe 8 auf den Dichtungssitz erzeugt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass in einigen Fällen zum Ausgleich von Toleranzen die Wastegate-Klappe 8 einen Mindestabstand in Form der Toleranzlänge a von der Rotationsachse 6 aufweisen sollte. Wird bei Nichtbeachten der Toleranz der Lastarm L zu kurz, so würde die Wastegate-Klappe 8 am Sitz an der Wastegate-Öffnung anstoßen, bevor die geschlossene Klappenstellung erreicht wird. In 6 ist noch detaillierter ausgeführt, dass die Wastegate-Klappe 8 insgesamt einen größeren Durchmesser aufweist als die Deckfläche 9, die gestrichelt kreisförmig dargestellt ist. Die Deckfläche 9 deckt innerhalb der Dichtfläche 22 die Wastegate-Öffnung ab.
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In 7 ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Wastegate-Klappe 20a dargestellt, wobei der Flächenschwerpunkt 11a der gestrichelt eingezeichneten dreieckigen Deckfläche 9a, gegenüber einer kreisförmigen Gestaltung der Deckfläche bei gleichem Flächeninhalt, näher an die Rotationsachse 6 herangerückt ist. Dies ist durch die dreieckförmige Gestaltung ermöglicht, wobei das Dreieck so angeordnet ist, dass eine gerade Kante 21a parallel zur Rotationsachse 6 verläuft. Gemäß den Regeln der Geometrie ist der Flächenschwerpunkt 11a von der Rotationsachse 6 aus gesehen bezüglich der Kante 21a auf einem Drittel der Höhe des Dreiecks angeordnet.
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8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße, rechteckige Wastegate-Klappe 20b, bei der eine gerade Kante 21b der gestrichelt eingezeichneten Deckfläche 9b parallel zu der Rotationsachse 6 angeordnet ist. Die rechteckige Wastegate-Klappe 20b sowie die entsprechende Deckfläche 9b sind in Richtung parallel zur Rotationsachse 6 gestreckt und senkrecht dazu gestaucht.
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9 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Wastegate-Klappe 20c mit einer einseitig abgeflachten Kreisform, wobei eine gerade Kante 21c der Deckfläche 9c, auch hier wieder gestrichelt dargestellt, die Abflachung auf der der Rotationsachse 6 zugewandten Seite bildet und zu dieser parallel angeordnet ist. Die Deckfläche dieser Wastegate-Klappe 20c ist bezüglich des Flächeninhalts mit einer kreisförmigen Wastegate-Klappe mit kreisförmiger Deckfläche vergleichbar, die einen kleineren Durchmesser aufweist. Durch die Abflachung im Bereich der geraden Kante 21c können die Wastegate-Klappe 20c und damit auch die Deckfläche 9c bei gleicher Größe des Flächeninhalts näher an die Rotationsachse 6 herangerückt angeordnet werden, so dass bei gleichem Drehmoment der Wastegate-Antriebswelle 7 eine höhere Anpresskraft der Wastegate-Klappe 20c auf den Sitz der Wastegate-Öffnung erreicht wird. Die gezeigte abgeflachte Gestalt der Wastegate-Klappe 20c ist gegenüber einer entsprechenden Kreisform in Richtung parallel zur Rotationsachse 6 gestreckt und senkrecht dazu gestaucht.
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10 zeigt vier weitere mögliche Gestaltungen von erfindungsgemäßen Wastegate-Klappen 20d (ellipsenförmig, wobei die lange Achse der Ellipse parallel zur Rotationsachse 6 ausgerichtet ist), 20e (trapezförmig, wobei die längere Seite des Trapezes der Rotationsachse 6 zugewandt ist), 20f (rautenförmig, wobei die lange Achse der Raute parallel zur Rotationsachse 6 ausgerichtet ist) sowie 20g (unregelmäßig geformt mit einer Gestalt, die gegenüber einer Kreisfläche in Richtung der Rotationsachse 6 gestreckt ist). Weitere geometrische Formen von Wastegate-Klappen mit entsprechenden Deckflächen sind im Rahmen der Erfindung denkbar.
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11 zeigt in drei verschiedenen perspektivischen Ansichten eine Antriebswelle 7 für eine Wastegate-Klappe 8, die gemäß dem Stand der Technik eine kreisrunde Deckfläche 9 aufweist. Die kreisrunde Formgebung entspricht nicht der erfindungsgemäß vorgesehenen Form, jedoch kann an diesem Beispiel einfach das Vorsehen eines Aufsatzes 24 auf die Wastegate-Klappe 8 demonstriert werden. Der Aufsatz 24 ist am einfachsten in der mittleren Darstellung zu erkennen, da er sich senkrecht zur Deckfläche 9 über die Ebene der flachen, kreisringförmig um den Aufsatz 24 angeordneten Dichtfläche 22 der Wastegate-Klappe 8 hinaus erstreckt. Der Aufsatz 24 taucht beim Verschließen der Wastegate-Öffnung 10a in diese ein. Der Aufsatz 24 ist konusförmig aufgebaut, um die Öffnungscharakteristik des Wastegate-Ventils zu gestalten, da durch diese Formgebung bei teilweise geöffneter Klappenstellung ein verringerter Querschnitt zur Verfügung steht. Somit wird in der ersten Phase der Öffnung im Verhältnis zum zurückgelegten Schwenkwinkel der Wastegate-Klappe zunächst nur ein kleiner Strömungsquerschnitt frei, und später wird dieser Anfangsverzug bis zur völligen Freigabe der Wastegate-Öffnung im Verlauf des sich vergrößernden Öffnungswinkels aufgeholt.
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Eine entsprechende Gestaltung von Aufsätzen 24a, 24c ist auch den 12 und 13 zu entnehmen.
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12 zeigt in drei Ansichten eine Wastegate-Klappe 20c, mit einer prinzipiellen Klappengeometrie wie in 9, die zum Teil kreisrund, jedoch im Bereich der Nähe der Rotationsachse 6 durch die gerade Kante 21c abgeflacht ist. In der mittleren Darstellung der 12 ist der konisch zulaufende Aufsatz 24c zu erkennen, der sich über die Ebene der Dichtfläche 22 hinaus erhebt. In 12 sind zudem die Antriebswelle 7 und der Lasthebel 23 dargestellt.
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13 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine dreieckige Wastegate-Klappe 20a, gemäß der in 7 dargestellten Geometrie, mit einem Aufsatz 24a, der sich von der rotationsachsennahen geraden Kante 25 des dreieckigen Aufsatzes 24a hin zu dem spitzen Ende 26 nach Art eines Keils aufbaut. Durch diese Gestalt verbessert sich die Öffnungscharakteristik des Wastegate-Ventils, das heißt des freien Strömungsquerschnitts relativ zum Öffnungswinkel der Wastegate-Klappe 20a, weiter. Ein solches schräges Ansteigen des Aufsatzes über die Breite der Wastegate-Klappe 20a kann selbstverständlich auch bei anderen Geometrien sinnvoll sein.
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14 zeigt in drei Ansichten eine runde Wastegate-Klappe 8 sowie eine entsprechende Antriebswelle 7, gemäß dem Stand der Technik. Die Wastegate-Klappe weist, wie in der mittleren Ansicht gut ersichtlich ist, im Bereich der Dichtfläche 22 der Wastegate-Klappe, der mit dem Rand der Wastegate-Öffnung, also dem Ventilsitz, zusammenwirkt, einen konisch abgeschrägten Verlauf auf. Dies führt dazu, dass die Wastegate-Klappe 8 auf der Wastegate-Öffnung selbsttätig zentriert wird und dass die Dichtung zwischen der Wastegate-Klappe 8 und dem Rand der Wastegate-Öffnung verbessert wird.
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15 zeigt in drei Ansichten eine ähnliche erfindungsgemäße Wastegate-Klappe wie 9, mit einer zur Rotationsachse 6 der Wastgate-Antriebswelle 7 abgeflachten kreisförmigen Geometrie, wobei jedoch die Kontur der Dichtfläche 22 der Wastegate-Klappe 8 kalottenförmig, das heißt kugelförmig gekrümmt, aufgebaut ist.
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In 16 ist nochmals eine abgeflachte kreisförmige Wastegate-Klappe 8 zusammen mit dem Lasthebel 23 und der Welle 7 gezeigt, ähnlich der in den 9 und 15 gezeigten Ausführungen. In 16 ist zudem mit B-B ein Schnitt angedeutet, der in 17 dargestellt ist. Dort ist im Querschnitt die Wastegate-Klappe 8 mit einer konischen Dichtfläche 27 gezeigt, die an einer entsprechend konisch ausgenommenen Wand 15a des Turbinengehäuses 15 anliegt, in der die Wastegate-Öffnung 10a vorgesehen ist. Der Rand 28 der Wastegate-Öffnung 10a ist zu der konischen Form der Dichtfläche 27 der Wastegate-Klappe 8 komplementär ausgebildet, so dass ein gut dichtender Ventilsitz entsteht. Auch diese komplementäre Formung des Randes der Wastegate-Öffnung 10a und der Dichtfläche 27 der Wastegate-Klappe 8 ist nicht auf die gezeigte Wastegate-Klappe 8 beschränkt, sondern kann für alle vorgestellten Klappengeometrien vorgesehen werden.
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Mit den oben gezeigten und erläuterten Klappengeometrien lässt sich im Ergebnis ein erhöhter Anpressdruck der Wastegate-Klappen 20a–20g, damit ein besseres Dichtungsverhalten des Wastegate-Ventils und damit ein besserer Wirkungsgrad des Abgasturboladers und der Verbrennungsmaschine erreichen.
