DE102016107266B4

DE102016107266B4 - Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102016107266B4
Application number: DE102016107266.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Hambloch; Thomas Schotten; Robin Eekhout
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2036-04-21
Also published as: DE102016107266A1

Abstract

Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse (10), welches einen Strömungskanal (12) begrenzt,
einem Klappenkörper (14),
einer Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) befestigt ist,
und mindestens einem Lager (26, 28), über das die Welle (16) in mindestens einer Lageraufnahme (22, 24) des Strömungsgehäuses (10) gelagert ist,
wobei die Welle (16) aus einem nichtmagnetischen, austenitischen hochwarmfesten hochchromhaltigen Edelstahl besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Lageraufnahmen (22, 24) an zwei gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals (12) im Strömungsgehäuse (10) ausgebildet sind und der Klappenkörper (14) durch die Welle (16) in zwei Klappenhälften geteilt ist, wobei die Welle in zwei Lagern (26, 28) gelagert ist, die in den Lageraufnahmen (22, 24) angeordnet sind, und wobei die Lager (26, 28) aus einem gesinterten Metallpulver einer hochchromhaltigen Eisenlegierung hergestellt sind und eine austenitische Struktur mit Karbidlegierungsbestandteilen und gleichmaßig verteilten Festschmierstoffphasen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse, welches einen Strömungskanal begrenzt, einem Klappenkörper, einer Welle, auf der der Klappenkörper befestigt ist, und mindestens einem Lager, über das die Welle in mindestens einer Lageraufnahme des Strömungsgehäuses gelagert ist, wobei die Welle aus einem nichtmagnetischen, austenitischen hochwarmfesten hochchromhaltigen Edelstahl besteht.
Derartige Abgasklappenvorrichtungen können in Form von Schmetterlingsventilen hergestellt und beispielsweise als Abgasrückführklappe oder Abgasstauklappe eingesetzt werden.
Eine besondere Aufmerksamkeit bei der Konstruktion derartiger Abgasklappenvorrichtungen gilt dabei den verwendeten Lagern, welche einerseits möglichst reibungsfrei arbeiten sollen und andererseits sowohl bei erhöhter thermischer Belastung als auch in der im Abgasbereich vorhandenen aggressiven Umgebung zuverlässig arbeiten müssen. Insbesondere ist dabei auch die Auslegung der Materialpaarung zwischen der Welle und den Lagern von hoher Relevanz, da bei Temperaturschwankungen von -50°C von bis zu 650°C auch thermische Dehnungen zu einer Schwergängigkeit oder einer unzureichenden Lagerung der Klappe führen können. Des Weiteren müssen die verwendeten Werkstoffe korrosionsunernpfindlich sein und möglichst wenig Anhaftungen beispielsweise durch Ruß oder wasserhaltige Ölnebel zulassen, um ein Verklemmen zuverlässig verhindern zu können. Aufgrund dieser Voraussetzungen werden die meisten Wellen von Abgasklappenvorrichtungen über Gleitlager gelagert.
So wird in der WO 2008/ 043 429 A1 eine Abgasklappenvorrichtung vorgeschlagen, bei der die Welle aus einem martensitischem warmfesten Stahl hergestellt ist und beidseitig in Lagern gelagert wird, welche aus einem keramischen System, insbesondere einem mit Magnesiumoxid stabilisierten Zirkonoxid gefertigt sind. Diese Materialpaarung ist zwar unempfindlich gegen die aggressive Umgebung und die thermischen Bedingungen, jedoch sind die Reibeigenschaften der keramischen Lager nicht immer ausreichend, so dass erhöhte Stellkräfte aufgebracht werden müssen. Zusätzlich tritt an den harten zueinander gewandten Oberflächen ein erhöhter Verschleiß auf, der zu wachsenden Leckagen durch das Lager, schlechteren Lagerungseigenschaften und vor allem zu einer Verschlechterung der Positioniergenauigkeit der Klappe im Kanal führt.
Aus der DE 10 2014 104 577 A1 ist eine Abgasklappenvorrichtung bekannt, bei der ein Klappenkörper drehbar im Strömungskanal angeordnet ist. Die den Klappenkörper tragende Welle aus austenitischem Stahl ist einseitig über zwei Kohle-Graphit-Lager im Gehäuse des Strömungskanals gelagert.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2006 048 442 A1 ein verschleißfestes Sinterelement bekannt, welches aus einem hartphasebildenden Pulver hergestellt wird, welches anschließend gesintert wird. Das Pulver enthält eine hochchromhaltige Eisenlegierung mit ferritischen und austenitischen Bestandteilen sowie Karbidlegierungsbestandteile und Festschmierstoffphasen.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasklappenvorrichtung zu schaffen, bei der die Reibung zwischen den Lagern und der Welle und damit auch der Verschleiß an der Welle und den Lagern reduziert werden, wodurch das Lagerspiel über einen langen Zeitraum klein gehalten werden kann, wodurch die Laufzeiten erhöht werden, ein Verklemmen der Welle verhindert wird und Leckagen durch das Lager gleichmäßig klein bleiben. Entsprechend sollen möglichst kleine Stellkräfte benötigt werden, die auch über die Lebensdauer weitestgehend unverändert bleiben. Zusätzlich soll die Abgasklappenvorrichtung thermisch belastbar und unempfindlich gegen aggressive Medien im Abgas sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass zwei Lageraufnahmen an zwei gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals im Strömungsgehäuse ausgebildet sind und der Klappenkörper durch die Welle in zwei Klappenhälften geteilt ist, wobei die Welle in zwei Lagern gelagert ist, die in den Lageraufnahmen angeordnet sind, und wobei die Lager aus einem gesinterten Metallpulver einer hochchromhaltigen Eisenlegierung hergestellt sind und eine austenitische Struktur mit Karbidlegierungsbestandteilen und gleichmäßig verteilten Festschmierstoffphasen aufweisen, wird eine Materialpaarung mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten hergestellt. Es wird eine mittig gelagerte Abgasklappenvorrichtung geschaffen, wodurch die auf die Welle wirkenden Querkräfte reduziert werden. Bei Verwendung eines derartigen Werkstoffes wird der Verschleiß deutlich reduziert, so dass über eine lange Lebensdauer eine sehr geringe Leckage entlang der Welle bereits im Bereich des Lagers sichergestellt werden kann. Die Laufzeiten einer derartigen Abgasklappenvorrichtung sind entsprechend hoch. Des Weiteren sind die verwendeten Materialien hitze- und korrosionsbeständig. Eine ausreichende Schmierung der Lager wird auch bei hohen Temperaturen von über 600°C durch die Festschmierstoffphasen sichergestellt.
Vorzugsweise enthält das mindestens eine Lager als Festschmierstoff Molybdändisulfid, welches auch bei hohen Temperaturen weiterhin gute Gleiteigenschaften aufweist und unempfindlich gegen die Bestandteile des Abgases ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Lager 16 Gew.% bis 20 Gew.% Chrom, 16 Gew.% bis 20 Gew.% Nickel, 4,8 Gew.% bis 7 Gew.% Molybdän, 1,1 Gew.% bis 1,4 Gew.% Kohlenstoff, 0,5 Gew.% bis 1,5 Gew.% Silizium, maximal 2 Gew.% weitere Elemente sowie den Rest Eisen. Ein derartiges Gleitlager in Verbindung mit der Welle aus dem nichtmagnetischen, austenitischen hochwarmfesten und hochchromhaltigen Edelstahl führt zu einer deutlichen Senkung der Reibbeiwerte bei hoher Lebensdauer und minimiertem Verschleiß auch bei hoher thermischer Belastung.
Zur einfachen Betätigung der Welle ist diese an einem aus dem Strömungsgehäuse und durch eines der Lager ragenden axialen Ende mit einem Aktor verbunden.
In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform liegt das am anderen Ende der Welle angeordnete Lager axial mit einer ersten Seite gegen einen Absatz eines Sacklochs an, welches als Lageraufnahme dient, und ist mit seiner entgegengesetzten Seite gegenüberliegend zum Klappenkörper angeordnet. Eine Leckage entlang der Welle nach außen wird vollständig vermieden. Zusätzlich wird ein Verschieben des Lagers im Sackloch verhindert.
Vorzugsweise ist zwischen dem aus dem Strömungsgehäuse ragenden Ende der Welle und dem Lager in einer Bohrung des Strömungsgehäuses eine Dichtungsanordnung ausgebildet, durch welche eine Leckage nach außen an der Seite, an der die Welle aus dem Gehäuse nach außen ragt, verhindert wird. Trotz des nunmehr engen Lagerspiels kann eine Leckage durch die Kombination von Lager und Welle nicht vollständig verhindert werden, so dass an der zum Kanal entgegengesetzten Seite des Lagers die zusätzliche Dichtungsanordnung verwendet wird, um eine Leckage zur Umgebung weitestgehend auszuschließen.
Es wird somit eine Abgasklappenvorrichtung geschaffen, welche durch die Verwendung optimal aufeinander abgestimmter Materialien eine hohe Lebensdauer der Radiallagerung bei gleichbleibender Qualität aufweist, da ein Verschleiß der Welle oder der Lager durch eine unerwünschte erhöhte Reibung in allen Betriebszuständen minimiert wird. Stattdessen wird bei sehr einfachem Aufbau der Abgasklappenvorrichtung eine hohe Dichtigkeit entlang der Welle bei optimierten Gleiteigenschaften und geringem Lagerspiel erreicht, so dass auch die benötigten Stellkräfte über die Lebensdauer nicht erhöht werden. Ein Ausfall der Klappenvorrichtung durch ein Verklemmen der Welle in den Lagern wird entsprechend ebenfalls zuverlässig vermieden. Die Abgasklappenvorrichtung weist eine große Unempfindlichkeit gegen thermische Einflüsse oder eine aggressive Umgebung, insbesondere gegen im Abgas vorhandene Schadstoffe, auf. Eine zuverlässige Reibung wird über den gesamten Temperaturbereich sichergestellt.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Figur zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung.
Die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung besteht aus einem Strömungsgehäuse 10, in dem ein Strömungskanal 12 ausgebildet ist. Ein freier durchströmbarer Querschnitt dieses Strömungskanals 12 wird durch Drehung eines Klappenkörpers 14 im Strömungskanal 12 geregelt. Der Klappenkörper 14 ist hierzu auf einer Welle 16 befestigt, welche beidseitig zentrisch im Strömungsgehäuse 10 gelagert ist, so dass der Klappenkörper 14 durch die Welle 16 in zwei Klappenflügel, die hier Klappenhälften sind, geteilt wird. Zur Lagerung sind am Strömungsgehäuse 10 gegenüberliegende Lageraufnahmen 22, 24 ausgebildet, in denen jeweils ein Lager 26, 28, welches als Radialgleitlager ausgeführt ist, angeordnet ist.
Das eine Ende der Welle 16 ragt in ein Sackloch 30, welches als Lageraufnahme 22 dient und in dem das Lager 26 angeordnet ist. Dieses Lager 26 liegt axial mit seinem einen Ende gegen einen im Sackloch 30 ausgebildeten Absatz 32 an, während das andere Ende des Lagers 26 zum Strömungskanal 12 weist und gegenüberliegend zum Klappenkörper 14 angeordnet ist und sich bis unmittelbar zum Strömungskanal 12 erstreckt. Das entgegengesetzte Ende der Welle 16 ragt durch eine Bohrung 34 aus dem Strömungsgehäuse 10 nach außen und ist über einen auf dem Ende der Welle 16 befestigten Hebel 36 mit einem nicht dargestellten Aktor gekoppelt, über welche die Welle 16 mit dem Klappenkörper 14 im Strömungskanal 12 drehbar ist. Die Bohrung 34 bildet die Lageraufnahme 24 aus, welche sich in dem zum Strömungskanal 12 weisenden Bereich der Bohrung 34 befindet, so dass das Lager 28 gegenüberliegend zum Klappenkörper 14 angeordnet ist. Zusätzlich wird die Welle 16 über eine Druckfeder 38, welches sich gegen den Hebel 36 abstützt, in Richtung des Hebels 36 belastet, so dass der Klappenkörper 14 mit seinem die Welle 16 umgebenden Bereich in Richtung des Lagers 28 belastet ist.
Das zum Hebel 36 entgegengesetzte Ende der Druckfeder 38 stützt sich gegen ein Axiallager 40 ab, dessen gegenüberliegende Seite gegen einen Absatz 42 anliegt, der in der Bohrung 34 ausgebildet ist, so dass die Federkraft über den Absatz 42 aufgenommen werden kann und die Welle 16 mit dem Klappenkörper 14 gegen das Lager 28 belastet wird. Die zum Strömungskanal 12 weisende Seite des Axiallagers 40, welche Teil einer Dichtungsanordnung 44 ist, weist eine sphärische Ausnehmung 46 auf, die gegen eine korrespondierende Fläche einer Keramikscheibe 48 anliegt, die ebenfalls durch die Kraft der Druckfeder 38 gegen das Axiallager 40 gedrückt wird. Dies erfolgt, indem auf der Welle 16 eine Buchse 50 aus Edelstahl befestigt wird, welche in einem Drehmoment übertragenden Formschluss mit einer Gleitscheibe 52 verbunden ist, die durch die Buchse 50 gegen die Keramikscheibe 48 gedrückt wird, da die Druckfeder 38 die Buchse 50 gegen die Gleitscheibe 52 und diese gegen die Keramikscheibe 48 belastet, welche hierdurch wiederum in die sphärische Ausnehmung des in der Bohrung des Strömungsgehäuses 10 eingepressten Axiallagers 40 gedrückt wird.
Durch diese Dichtungsanordnung 44 kann Abgas aus dem Strömungskanal 12 weder entlang der Welle 16 noch entlang der Innenwand der Bohrung 34 strömen. Auch eine Leckageströmung zwischen der Buchse 50, der Gleitscheibe 52, der Keramikscheibe 48 und dem Axiallager 40 wird vermieden, da diese Teile gegeneinander anliegen und jeweils Reibungspaarungen vorgesehen werden, welche einer geringen Reibung und einem niedrigen Verschleiß unterliegen, so dass über eine lange Lebensdauer die Dichtigkeit erhalten wird. Hierzu sind die Gleitscheibe 52 und das Axiallager 40 beispielsweise aus dem Werkstoff FM 2600^® hergestellt, während die Keramikscheibe aus ZN 40, welches ein mit Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid ist, und die Buchse aus 1.4828 bestehen. Eine relative Drehung findet in diesem Fall lediglich zwischen der Welle 16 und dem Axiallager 40 sowie beidseits der Keramikscheibe 48 zur Gleitscheibe 52 und zum Axiallager 40 statt und somit immer zwischen der harten Oberfläche der Keramikscheibe 48 und einem Bauteil mit Festschmierstoffen, welche sich in die oberflächlichen Lücken der Keramikscheibe 48 setzen, so dass die Unebenheiten zwischen den Reibpartnern im Laufe der Zeit geringer werden und eine Schmierung in allen Betriebsbedingungen sichergestellt wird.
Am Strömungsgehäuse 10 ist ein Vorsprung 54 angeordnet, in dem die Dichtungsanordnung 44 sowie die Bohrung 34 ausgebildet sind. Dieser Vorsprung 54 ist von einer Drehfeder 56 umgeben, die als Rückdrehfeder dient und deren Enden am Hebel 36 und an einem Anschlag 58 am Strömungsgehäuse 10 vorgespannt anliegen, so dass die Welle 16 in Schließrichtung des Klappenkörpers 14 vorgespannt ist.
Erfindungsgemäß muss nun zusätzlich sichergestellt werden, dass zwischen der Welle 16 und den Radiallagern 26, 28 die Reibung ebenfalls reduziert wird und der Verschleiß minimiert wird. Dies erfolgt, indem die Welle 16 aus einem nichtmagnetischen, austenitischen, hochwarmfesten und hochchromhaltigen Edelstahl hergestellt wird. Insbesondere kann diese beispielsweise aus Nitronic^®60 hergestellt werden. Dieser Stahl besteht aus max. 0,1 Gew.% Kohlenstoff, 3,5 Gew.% bis 4,5 Gew.% Silizium, 7 Gew.% bis 9 Gew.% Mangan, 16 Gew.% bis 18 Gew.% Chrom, 8 Gew.% bis 9 Gew.% Nickel, maximal 0,06 Gew.% Phosphor, max. 0,03 Gew.% Schwefel sowie 0,08 Gew.% bis 0,18 Gew.% Nickel und weist sehr gute abrasive Verschleißbeständigkeit und Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auf. Diese Welle 16 wird gepaart mit Lagern 26, 28 aus einem gesinterten Metallpulver einer hochchromhaltigen Eisenlegierung, welches eine austenitische Struktur aufweist und Karbidlegierungsbestandteile sowie gleichmäßig verteilte Festschmierstoffphasen enthält. Die chemische Zusammensetzung dieser Lager 26, 28 besteht dabei aus 16 Gew.% bis 20 Gew.% Chrom, 16 Gew.% bis 20 Gew.% Nickel, 4,8 Gew.% bis 7 Gew.% Molybdän, 1,1 Gew.% bis 1,4 Gew.% Kohlenstoff, 0,5 Gew.% bis 1,5 Gew.% Silizium und maximal 2 Gew.% weiteren Elementen sowie dem Rest Eisen. Die Legierungsbestandteile Blei, Quecksilber, Cadmium sowie sechswertiges Chrom sind dabei zu vermeiden. Als Festschmierstoffphase dieser Lager dient Molybdändisulfid, welches sich auch bei hohen Temperaturen als Schmierstoff bewährt und in die Unebenheiten zwischen Welle 16 und Lager 26, 28 setzt.
Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Materialkombination die Reibbeiwerte sowie daraus folgend der Verschleiß signifikant gesenkt werden konnten und zwar unabhängig von der aggressiven Umgebung des Abgases und der thermischen Belastung von bis zu 650°C. Durch diese über die gesamte zu erwartende Lebensdauer gesenkte Reibung sinken die notwendigen Stellkräfte zur Verstellung der Klappe im Kanal, so dass Energie eingespart wird und die Belastung der Steller gesenkt werden können. Zusätzlich zeichnet sich eine derartige Abgasklappenvorrichtung durch das bleibende geringe Lagerspiel und die zusätzliche Dichtungsanordnung durch minimierte Leckagen nach außen aus. Die Lager bleiben auch bei hohen Temperaturen selbstschmierend und Welle und Lager weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Es sollte deutlich sein, dass die Zusammensetzungen im Rahmen des Hauptanspruchs geringfügig modifizierbar sind. Derartig gelagerte Klappenvorrichtungen können überall im Abgasstrang zur Regelung der geforderten Abgasmenge eingesetzt werden.

Claims

Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse (10), welches einen Strömungskanal (12) begrenzt, einem Klappenkörper (14), einer Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) befestigt ist, und mindestens einem Lager (26, 28), über das die Welle (16) in mindestens einer Lageraufnahme (22, 24) des Strömungsgehäuses (10) gelagert ist, wobei die Welle (16) aus einem nichtmagnetischen, austenitischen hochwarmfesten hochchromhaltigen Edelstahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lageraufnahmen (22, 24) an zwei gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals (12) im Strömungsgehäuse (10) ausgebildet sind und der Klappenkörper (14) durch die Welle (16) in zwei Klappenhälften geteilt ist, wobei die Welle in zwei Lagern (26, 28) gelagert ist, die in den Lageraufnahmen (22, 24) angeordnet sind, und wobei die Lager (26, 28) aus einem gesinterten Metallpulver einer hochchromhaltigen Eisenlegierung hergestellt sind und eine austenitische Struktur mit Karbidlegierungsbestandteilen und gleichmaßig verteilten Festschmierstoffphasen aufweisen.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (26, 28) als Festschmierstoff Molybdändisulfid enthält.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (26, 28) 16 Gew.% bis 20 Gew.% Chrom, 16 Gew.% bis 20 Gew.% Nickel, 4,8 Gew.% bis 7 Gew.% Molybdän, 1,1 Gew.% bis 1,4 Gew.% Kohlenstoff, 0,5 Gew.% bis 1,5 Gew.% Silizium, maximal 2 Gew.% weitere Elemente sowie den Rest Eisen enthält.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (16) an einem aus dem Strömungsgehäuse (10) und durch eines der Lager (28) ragenden axialen Ende mit einem Aktor verbunden ist.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das am anderen Ende der Welle (16) angeordnete Lager (26) axial mit einer ersten Seite gegen einen Absatz (32) eines Sacklochs (30) anliegt, welches als Lageraufnahme (22) dient, und mit seiner entgegengesetzten Seite gegenüberliegend zum Klappenkörper (14) angeordnet ist.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem aus dem Strömungsgehäuse (10) ragenden Ende der Welle (16) und dem Lager (28) in einer Bohrung (34) des Strömungsgehäuses (10) eine Dichtungsanordnung (44) ausgebildet ist.