DE102018220965A1

DE102018220965A1 - Klappenanordnung für eine Turbine eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102018220965A1
Application number: DE102018220965.0A
Authority: DE
Inventors: Marcel Golz; Jason Robert Walkingshaw; Jens Watanpour; Anna Winkelmann
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-04
Also published as: JP2020090957A; US20220154631A1; CN111271135A; KR20200067771A; CN209800032U; US11236666B2; US11781472B2; US20200173349A1; EP3663557A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klappenanordnung 10 für eine Turbine 2 eines Abgasturboladers 2, insbesondere für ein Wastegate-Ventil der Turbine, mit einer Spindel 100 zur drehbaren Lagerung der Klappenanordnung 10 in einem Turbinengehäuse 3, einem Hebelarm 200, wobei der Hebelarm 200 mit der Spindel 100 gekoppelt ist und einem Klappenteller 300, wobei der Klappenteller 300 mit dem Hebelarm 200 gekoppelt ist. Der Klappenteller 300 weist einen flexiblen Teil 330 in einem radial äußeren Bereich des Klappentellers 300 auf, so dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung 10, wenn der Klappenteller 300 mit einem Klappensitz 500 im Turbinengehäuse 3 in Kontakt ist, eine elastische und/oder plastische Verformung des flexiblen Teils 330 des Klappentellers 300 hervorgerufen werden kann, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses 3, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappenanordnung für eine Turbine eines Abgasturboladers sowie eine Turbine und einen Abgasturbolader mit einer entsprechenden Klappenanordnung.
Hintergrund der Erfindung
Bekannte Abgasturbolader weisen eine Turbine mit einem Turbinenrad auf, das vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Ein Verdichterrad, das mit dem Turbinenrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, verdichtet die für den Motor angesaugte Frischluft, wodurch sich der Druck der Frischluft erhöht. Dadurch wird die Luft- bzw. Sauerstoffmenge, die der Motor zur Verbrennung zur Verfügung hat, erhöht, was wiederum zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors führt. Der zu erzeugende Druck ist dabei aufgrund der Kopplung des Turbinenrades mit dem Verdichterrad immer von der geförderten Abgasmenge abhängig. In bestimmten Betriebszuständen ist es erforderlich, die auf den Verdichter wirkende Antriebsenergie zu verringern beziehungsweise zu regeln.
Hierzu werden unter anderem Wastegate-Ventile eingesetzt, welche einen Bypass- oder Wastegate-Kanal freigeben bzw. verschließen können. Abgase können durch das Wastegate-Ventil und den Bypass und somit um die Turbine geleitet werden, so dass nicht mehr die vollständige Abgasmenge auf das Turbinenrad wirkt. Diese Wastegate-Ventile sind zumeist als Klappenventile ausgebildet, die über einen Aktor betätigt werden. Bei bekannten Klappenanordnungen ist ein Klappenteller fest mit einem Hebelarm verbunden, wobei der Hebelarm mit einer Spindel gekoppelt ist, die drehbar im Turbinengehäuse gelagert ist. Der heiße Abgasstrom heizt die Turbine stark auf, so dass das Turbinengehäuse hohe Temperaturen erreicht. Die hohen Temperaturen führen zu thermischen Ausdehnungen im Turbinengehäuse. Da allerdings nicht überall die gleichen Temperaturen herrschen und die Wandstärken in entsprechenden Bereichen des Turbinengehäuses unterschiedlich sein können, ist die thermische Ausdehnung nicht überall gleich groß. Daraus können Verformungen des Klappensitzes für die Klappenanordnung im Turbinengehäuse resultieren. Außerdem kann sich die Form des Klappensitzes durch Verschleiß und Abgasablagerungen ändern. Die Verformungen sind problematisch, weil sie insbesondere bei starren Klappenanordnungen zu Leckage führen, da der starre Klappenteller nicht mehr eben auf dem Klappensitz aufliegt. Eine erhöhte Leckage wiederum führt zu Performanceverlusten. Auch mit einer überhöhten Stellkraft durch den Aktuator lässt sich die Problematik der Verformungen nur teilweise kompensieren.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demnach eine Klappenanordnung für eine Turbine eines Abgasturboladers bereitzustellen, die in der Lage ist die Verformungen auszugleichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappenanordnung für eine Turbine gemäß Anspruch 1, eine Turbine gemäß Anspruch 14 und einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 15.
Die erfindungsgemäße Klappenanordnung für eine Turbine eines Abgasturboladers, insbesondere für ein Wastegate-Ventil der Turbine, umfasst eine Spindel zur drehbaren Lagerung der Klappenanordnung in einem Turbinengehäuse, einen Hebelarm, wobei der Hebelarm mit der Spindel gekoppelt ist, und einen Klappenteller, wobei der Klappenteller mit dem Hebelarm gekoppelt ist. Erfindungsgemäß weist der Klappenteller einen flexiblen Teil in einem radial äußeren Bereich des Klappentellers auf, so dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung, wenn der Klappenteller mit einem Klappensitz im Turbinengehäuse in Kontakt ist, eine elastische und/oder plastische Verformung des flexiblen Teils des Klappentellers hervorgerufen werden kann, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen. Durch die flexible Ausgestaltung eines Bereichs des Klappentellers kann sich der Klappenteller bei entsprechender Kraftbeaufschlagung an die geänderte Form/Lage des Klappensitzes anpassen, wobei die Kraftbeaufschlagung, um einen von thermische Verformungen des Turbinengehäuses, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß hervorgerufenen Spalt zu überwinden, relativ zu bekannten steifen Klappenanordnungen geringgehalten werden kann. Außerdem führt die erfindungsgemäße Klappenanordnung zu einem verbesserten Sitz des Klappentellers auf dem Klappensitz und folglich zu einer besseren Abdichtung des Wastegate-Kanals. Weiterhin wird ein Festsitzen (sogenanntes „Sticking“) des Klappentellers im Klappensitz, das durch Verformungen des Klappensitzes auftreten kann, besser vermieden.
In Ausgestaltungen kann der Klappenteller außerdem einen steifen Teil aufweisen, wobei der flexible Teil den steifen Teil umgibt.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Klappenteller kreisförmig oder oval sein und der flexible Teil kann ein ringförmiger Bereich sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Klappenteller eine Unterseite aufweisen, wobei die Unterseite eine Unterseitenfläche U_A aufweist, und wobei die Unterseitenfläche U_A eine erste Teilfläche T_F , die dem flexiblen Teil zugeordnet ist, und eine zweite Teilfläche T_S , die dem steifen Teil zugeordnet ist, umfasst. Insbesondere kann die erste Teilfläche T_F größer oder gleich dem 0,2-fachen der Unterseitenfläche U_A sein, insbesondere größer oder gleich dem 0,4-fachen der Unterseitenfläche U_A sein, besonders bevorzugt größer oder gleich dem 0,5-fachen der Unterseitenfläche U_A sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Klappenteller einen Berührpunkt A auf dem Rand des Klappentellers aufweisen, der im eingebauten Zustand beim Schließvorgang der Klappenanordnung als erstes mit dem Klappensitz in Kontakt tritt, wobei eine Hebellänge L_H definiert werden kann als der Abstand zwischen dem Berührpunkt A und einem geometrischen Schwerpunkt C der zweiten Teilfläche T_S , und eine Maximallänge L_Max definiert werden kann als der maximale Abstand zweier gegenüberliegender Punkte auf dem Rand des Klappentellers. Insbesondere kann für das Verhältnis von L_H zu L_Max folgendes gelten: 0,20 ≤ L_H/ L_Max ≤ 0,95, insbesondere 0,40 ≤ L_H/ L_Max ≤ 0,90. Außerdem kann eine Flexlänge L_F definiert werden als der Abstand zwischen dem Berührpunkt A und einer Außenkante der zweiten Teilfläche T_S , wobei für ein Verhältnis von L_F / L_H gelten kann: 0,20 ≤ LF / LH ≤ 0,95, insbesondere 0,40 ≤ LF / LH ≤ 0,95.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Klappenteller im Bereich einer äußeren Kante des flexiblen Teils eine Dicke D_t aufweisen. Der gesamte flexible Teil des Klappentellers kann eine konstante Dicke entsprechend der Dicke D_t aufweisen. Alternativ kann der flexible Teil des Klappentellers unterschiedliche Dicken aufweisen, insbesondere in radialer Richtung von der äußeren Kante hin zum steifen Teil gesehen. Die Dicke des flexiblen Teils kann in radialer Richtung hin zum steifen Teil zunehmen. Alternativ kann die Dicke des flexiblen Teils in radialer Richtung hin zum steifen Teil abnehmen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann an einer Unterseite und/oder einer Oberseite des flexiblen Teils mindestens eine Aussparung vorgesehen sein. Durch die Aussparung(en) kann die Flexibilität im flexiblen Teil gezielt angepasst bzw. erhöht werden. Die mindestens eine Aussparung kann in Form zumindest einer in Umfangsrichtung angeordneten Nut ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Nut entlang der Umfangsrichtung eine geschlossene Nut sein oder sich über zumindest einen Teilbereich erstrecken.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann zumindest ein Teil des Hebelarms derart flexibel ausgestaltet sein, dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung, wenn der Klappenteller mit einem Klappensitz im Turbinengehäuse in Kontakt ist, eine Relativbewegung des gesamten Klappentellers bezüglich der Spindel ermöglicht wird, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen. Es wurde herausgefunden, dass durch die Kombination aus Klappenteller mit flexiblem Bereich und einem zumindest teilweise flexiblen Hebelarm, einerseits eine sehr gute Abdichtwirkung erzielt werden kann und andererseits die Spannungen in der Klappenanordnung, insbesondere im Hebelarm, reduziert werden können. Geringere Spannungen erhöhen die Bauteilausfallsicherheit und die Lebensdauer der Klappenanordnung.
In Ausgestaltungen mit flexiblem Hebelarm kann nur ein oder können nur mehrere Teilbereiche des Hebelarms flexibel ausgestaltet sein. Der oder die flexiblen Teilbereiche können eine reduzierte Querschnittsfläche im Vergleich zum restlichen Hebelarm aufweisen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit flexiblem Hebelarm kombinierbar sind, kann der Hebelarm derart gestaltet und bezüglich der Spindel und des Klappentellers angeordnet sein, dass der elastische Teilbereich durch die Schließkraft im Wesentlichen druckbelastet wird, wenn keine thermischen Verformungen oder Verschleiß des Turbinengehäuses auftreten bzw. Ablagerungen vorhanden sind. Eine derartige Anordnung und Ausgestaltung des flexiblen Teilbereichs hat den Vorteil, dass die gewünschte Wirkung des flexiblen Teilbereichs, nämlich das Ausgleichen von thermischen Verformungen, Ablagerungen oder Verschleiß, tatsächlich nur auftritt, wenn thermische Verformungen oder Verschleiß auftreten und/oder der Klappenteller aus anderen Gründen, wie zum Beispiel Ablagerungen, nicht mehr vollkommen eben auf dem Klappensitz aufliegt. Wenn keine thermischen Verformungen oder Verschleiß auftreten bzw. Ablagerungen vorhanden sind, also wenn der Klappenteller vollständig eben auf dem Klappensitz aufliegt, dann ist der flexible Teilbereich ausschließlich mit Druck belastet, so dass quasi keine Relativbewegung zwischen dem Klappenteller und der Spindel auftritt. Wenn aufgrund von thermischen Verformungen, Verschleiß oder anderen Gründen, wie z.B. Ablagerungen, der Klappenteller nicht mehr vollständig eben auf dem Klappensitzt aufliegt (Leckage tritt auf), dann wird beim Aufbringen der Schließkraft auf die Klappenanordnung in der geschlossenen Stellung der Klappenanordnung ein Moment in den flexiblen Teilbereich eingeleitet. Das Moment führt aufgrund der zumindest teilweisen Flexibilität des Hebelarms zu einer Relativbewegung des Klappentellers bezüglich der Spindel, wodurch der Klappenteller wieder vollständig eben auf dem Klappensitz zum Aufliegen kommt. Zusammen mit dem flexiblen Teil des Klappentellers wird somit eine besonders gute Abdichtung erzielt.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit flexiblem Hebelarm kombinierbar sind, kann der Hebelarm zumindest einen ersten Hebelarmabschnitt und einen zweiten Hebelarmabschnitt aufweisen, wobei ein Ende des zweiten Hebelarmabschnitts mit dem Klappenteller gekoppelt ist. Der oder die flexiblen Teilbereiche können im Bereich des zweiten Hebelarmabschnitts angeordnet sein und/oder der oder die flexiblen Teilbereiche können im Bereich des ersten Hebelarmabschnitts angeordnet sein. In alternativen Ausgestaltungen kann ein überwiegender Teil des Hebelarms, insbesondere der gesamte Hebelarm flexibel ausgebildet ist.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit flexiblem Hebelarm kombinierbar sind, können der oder die flexiblen Teilbereiche des Hebelarms eine geringere Biegesteifigkeit als der Rest des Hebelarms und/oder die Spindel aufweisen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit flexiblem Hebelarm kombinierbar sind, können der Klappenteller und/oder der Hebelarm dimensioniert sein und Materialeigenschaften aufweisen, sodass ein Winkel α von bis zu 3° ausgeglichen werden kann, wenn in die Spindel ein Drehmoment im Bereich von 0,8 bis 20 Nm, bevorzug im Bereich von 1,5 bis 15 Nm, insbesondere im Bereich von 2 bis 10 Nm eingebracht wird. Der Winkel α ist definiert als der Winkel zwischen der Ebene des Klappensitzes und der Ebene einer Unterseite des Klappentellers.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen mit flexiblem Hebelarm kombinierbar sind, können der Klappenteller und/oder der Hebelarm dimensioniert sein und Materialeigenschaften aufweisen, sodass ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,10 mm bis 0,80 mm, insbesondere zwischen 0,24 mm und 0,4 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 125 MPa und 350 MPa an dem Hebelarm angelegt wird. Insbesondere können der Klappenteller und/oder der Hebelarm derart dimensioniert sein und Materialeigenschaften aufweisen, sodass ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,32 mm und 0,36 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 150 MPa und 200 MPa am Hebelarm angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,32 mm und 0,34 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 200 MPa und 250 MPa am Hebelarm angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,32 mm und 0,34 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 300 MPa und 350 MPa am Hebelarm angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,28 mm und 0,32 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 300 MPa und 350 MPa am Hebelarm angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,38 mm und 0,40 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 250 MPa und 300 MPa am Hebelarm angelegt wird; und ein Versatz des Klappentellers von zwischen 0,26 mm und 0,28 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 125 MPa und 175 MPa am Hebelarm angelegt wird.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, können die Spindel und der Hebelarm einstückig ausgestaltet sein, oder der Hebelarm und der Klappenteller einstückig ausgebildet sein, oder die Spindel, der Hebelarm und der Klappenteller einstückig ausgebildet sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Klappenteller fest mit dem Hebelarm verbunden sein. Insbesondere kann der Hebelarm mit dem Klappenteller verschweißt sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Klappenteller an seiner Oberseite eine kugelförmige Aussparung aufweisen, in der ein kugelförmiges Ende des Hebelarms angeordnet sein kann.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, können der Klappenteller, der Hebelarm und/oder die Spindel als MIM-Teil gefertigt sein.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse und einem Wastegateventil, das geeignet ist, Abgas an einem Turbinenrad der Turbine vorbeizuleiten. Das Wastegateventil umfasst eine Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen.
In Ausgestaltungen der Turbine kann das Turbinengehäuse eine Buchsenbohrung aufweisen, in der eine Buchse angeordnet ist, wobei die Spindel der Klappenanordnung drehbar in der Buchse gelagert sein kann.
Die Erfindung umfasst außerdem einen Abgasturbolader mit einer Turbine gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine isometrische Ansicht im Teilschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Turboladers;
2 zeigt eine isometrische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung;
3 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht eines Klappentellers des Ausführungsbeispiels aus 2;
4a zeigt eine isometrische Ansicht im Teilschnitt eines Klappentellers eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung;
4b zeigt eine Schnittansicht des Klappentellers aus 4a;
4c zeigt eine Schnittansicht eines Klappentellers eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung;
5a zeigt eine Ansicht eines Klappentellers eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung;
5b zeigt eine Ansicht eines Klappentellers eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung;
6 zeigt eine Seitenansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klappenanordnung.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Klappenanordnung 10 sowie eine Turbine 2 mit einer derartigen Klappenanordnung 10 und ein entsprechender Abgasturbolader 1 beschrieben.
1 zeigt einen Abgasturbolader 1, der mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Klappenanordnung 10 ausgestattet werden kann. Der Abgasturbolader 1 umfasst eine Turbine 2 mit einem Turbinengehäuse 3 und einem Wastegateventil, das geeignet ist Abgas an dem Turbinenrad 4 der Turbine 2 vorbeizuleiten. Das Wastegateventil umfasst dabei eine erfindungsgemäße Klappenanordnung 10. Das Turbinengehäuse 3 weist außerdem eine Buchsenbohrung auf, in der eine Buchse angeordnet werden kann, wobei die Klappenanordnung 10 dann drehbar in der Buchse gelagert ist.
Bezugnehmend auf die 2 bis 6 wird im Folgenden die erfindungsgemäße Klappenanordnung 10 beschrieben. Wie insbesondere in 2 zu sehen, umfasst die Klappenanordnung 10 eine Spindel 100 zur drehbaren Lagerung der Klappenanordnung 10 im Turbinengehäuse 3 und einen Hebelarm 200. Die Spindel 100 definiert die Drehachse 400. Der Hebelarm 200 ist mit der Spindel 100 gekoppelt. Außerdem umfasst die Klappenanordnung einen Klappenteller 300, wobei der Klappenteller 300 mit dem Hebelarm 200 gekoppelt ist. Erfindungsgemäß weist der Klappenteller 300 einen flexiblen Teil 330 in einem radial äußeren Bereich des Klappentellers 300 auf. Der flexible Teil 330 des Klappentellers 300 führt dazu, dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung 10, wenn der Klappenteller 300 mit einem Klappensitz 500 (siehe 6) im Turbinengehäuse 3 in Kontakt ist, eine elastische und/oder plastische Verformung des flexiblen Teils 330 des Klappentellers 300 hervorgerufen werden kann, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses 3, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen.
Bei der elastischen und/oder plastischen Verformung wird der flexible Teil 330 des Klappentellers 300 verformt, um sich an einen verformten oder leicht verschobenen Klappensitz 500 anzupassen. Der Klappensitz 500 kann sich, im Vergleich zu seiner ursprünglichen Form und Lage, zum Beispiel durch thermische Belastungen elastisch und plastisch verändern. Außerdem kann sich die Form des Klappensitz 500 durch Verschleiß und Abgasablagerungen ändern. Durch die flexible Ausgestaltung eines Teils 330 des Klappentellers 300 kann sich dieser bei entsprechender Kraftbeaufschlagung an die geänderte Form/Lage des Klappensitzes 500 anpassen, wobei die Kraftbeaufschlagung, um einen von thermischen Verformungen des Turbinengehäuses, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß hervorgerufenen Spalt zu überwinden, relativ zu bekannten steifen Klappenanordnungen vorteilhafterweise geringgehalten werden kann. Außerdem führt die erfindungsgemäße Klappenanordnung 10 zu einem verbesserten Sitz des Klappentellers 300 auf dem Klappensitz 500 und folglich zu einer besseren Abdichtung eines Wastegate-Kanals, den die Klappenanordnung 10 verschließen soll. Weiterhin wird ein Festsitzen (sogenanntes „Sticking“) des Klappentellers 300 im Klappensitz 500, das durch Verformungen des Klappensitzes 500 auftreten kann, besser vermieden.
Wie in 2 bis 4c gut zu erkennen, weist der Klappenteller 300 außerdem einen steifen Teil 335 auf, wobei der flexible Teil 330 den steifen Teil 335 umgibt. Der steife Teil 335 umfasst oder entspricht dabei in seiner radialen Erstreckung einem Aufnahmebereich 340 (siehe 2), in dem der Hebelarm 200 mit dem Klappenteller 300 gekoppelt ist.
Wie in 2 bis 4c dargestellt, kann der Klappenteller 300 kreisförmig sein. Alternativ kann der Klappenteller auch oval sein. Der flexible Teil 330 ist dabei als ringförmiger Bereich 330 ausgestaltet. Der Klappentellers 300 ist allerdings auf keine spezielle Form eingeschränkt und kann jede geometrisch sinnvolle Form aufweisen, die an die entsprechende Anwendung angepasst ist. Wie gezeigt, kann der Klappenteller beispielsweise kreisförmig oder oval sein. In diesen Fällen kann auch der flexible Bereich 330 rund oder oval ausgestaltet sein. Eine alternative Form des Klappentellers 300 ist zum Beispiel in 5b gezeigt.
Bezugnehmend auf die 4a bis 5b, weist der Klappenteller 300 eine Unterseite 302 auf, wobei die Unterseite 302 diejenige Seite des Klappentellers 300 ist, die in Richtung Klappensitz 500 zeigt. Die Unterseite 302 definiert eine Unterseitenfläche U_A . Die Unterseitenfläche U_A kann in eine erste Teilfläche T_F , die dem flexiblen Teil 330 zugeordnet ist, und in eine zweite Teilfläche Ts, die dem steifen Teil 335 zugeordnet ist, eingeteilt werden (siehe z.B. 5a und 5b). Die erste Teilfläche T_F kann größer oder gleich dem 0,2-fachen der Unterseitenfläche U_A sein, insbesondere größer oder gleich dem 0,4-fachen der Unterseitenfläche U_A sein, besonders bevorzugt größer oder gleich dem 0,5-fachen der Unterseitenfläche U_A sein. In anderen Worten: die zweite Teilfläche T_S entspricht einer Projektion des steifen Teils 335 des Klappentellers 300 auf die Unterseitenfläche U_A des Klappentellers 300. Die erste Teilfläche T_F entspricht dann der restlichen Unterseitenfläche U_A , also der Unterseitenfläche U_A minus der zweiten Teilfläche T_S . Dabei kann T_F ≥ 0,2*U_A sein, insbesondere kann T_F ≥ 0,4*U_A sein, besonders bevorzugt kann T_F ≥ 0,5*U_A sein. Nochmals anders formuliert, kann man für ein Verhältnis von zweiter Teilfläche T_S zu Unterseitenfläche U_A angeben: 0,01 ≤ T_S / U_A ≤ 0,8, bevorzugt 0,1 ≤ T_S / U_A ≤ 0,6, besonders bevorzugt 0,2 ≤ T_S / U_A ≤ 0,5.
Mit Bezug auf 3, 5a/b und 6 ist gezeigt, dass der Klappenteller 300 einen Berührpunkt A auf dem Rand des Klappentellers 300 aufweist, der im eingebauten Zustand beim Schließvorgang der Klappenanordnung 10 als erstes mit dem Klappensitz 500 in Kontakt tritt (siehe 6). Mit Bezug auf 5a und 5b, kann über den Berührpunkt A eine Hebellänge L_H für den Klappenteller 300 definiert werden als der Abstand zwischen dem Berührpunkt A und einem geometrischen Schwerpunkt C der zweiten Teilfläche T_S . Außerdem kann eine Maximallänge L_Max für den Klappenteller 300 definiert werden als der maximale Abstand zweier gegenüberliegender Punkte auf dem Rand des Klappentellers 300. In 4a und 5a ist ein Beispiel gezeigt, bei dem der Klappenteller 300 kreisförmig mit Durchmesser D ausgebildet ist und der steife Teil 335 kreisförmig mit Durchmesser d ausgebildet ist. Die sich daraus ergebende kreisförmige zweite Teilfläche Ts ist mittig (und konzentrisch) in der Unterseitenfläche U_A angeordnet, was einer mittigen Anordnung des Hebelarms 200 am Klappenteller 300 entspricht. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist die Hebellänge L_H gleich dem Radius R des Klappentellers 300 (siehe 5a). Bezüglich der Hebellänge L_MAX gilt für das kreisförmige Beispiel, dass die Hebellänge L_M dem Durchmesser D des Klappentellers 300 entspricht. 5b zeigt eine dazu alternative Ausgestaltung.
Für alle Ausgestaltungen kann insbesondere für das Verhältnis von L_H zu L_Max folgendes gelten: $0,20 \leq L_{H} / L_{Max} \leq 0,95; insbesondere 0,40 \leq L_{H} / L_{Max} \leq 0,90.$
Mit zusätzlichem Bezug auf 3 kann außerdem eine Flexlänge L_F für den Klappenteller 300 definiert werden als der Abstand zwischen dem Berührpunkt A und einer Außenkante der zweiten Teilfläche T_S . Insbesondere kann für ein Verhältnis von L_F / L_H folgendes gelten: $0,20 \leq LF / LH \leq 0,95, insbesondere 0,40 \leq LF / LH \leq 0,90.$
Der Klappenteller 300 weist im Bereich einer äußeren Kante des flexiblen Teils 330 eine Dicke D_t auf (siehe 3). Der gesamte flexible Teil 330 des Klappentellers 300 kann eine konstante Dicke entsprechend der Dicke D_t aufweisen, siehe ebenfalls 3. Alternativ kann der flexible Teil 330 des Klappentellers 300 unterschiedliche Dicken aufweisen, insbesondere in radialer Richtung von der äußeren Kante hin zum steifen Teil 335 gesehen. Die Dicke des flexiblen Teils 330 kann in radialer Richtung hin zum steifen Teil 335 zunehmen. Alternativ kann die Dicke des flexiblen Teils 330 in radialer Richtung hin zum steifen Teil 335 abnehmen. Die Dicke des flexiblen Teils 330 kann zum Beispiel (zumindest abschnittsweise) bis zu einer Dicke von zumindest 1,1 * D_t ansteigen. Alternativ kann die Dicke des flexiblen Teils 330 (zumindest abschnittsweise) bis zu einer Dicke von 0,9*D_t oder weniger abnehmen bevor sie dann spätestens im Übergangsbereich zum steifen Teil 335 wieder ansteigt. Die Grenze zwischen flexiblem Teil 330 und steifem Teil 335 bzw. der Übergang vom flexiblen Teil 330 zum steifen Teil 335 des Klappentellers 300 kann definiert werden als der Bereich, in dem der Klappenteller 300 eine Dicke aufweist, die größer als ungefähr 1,2*D_t ist. Anders ausgedrückt, der flexible Teil 330 weist eine Dicke auf, die kleiner als 1,2*D_t ist. Für ein exemplarisches Beispiel kann der flexible Bereich 330 dadurch gekennzeichnet werden, dass er eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich 8 mm ist. Insbesondere kann der flexible Bereich 330 einen Dicke im Bereich von 1 mm bis 8 mm, insbesondere 1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 4 mm aufweisen.
Wie in 4a bis 4c dargestellt, kann an einer Unterseite 302 und/oder an einer Oberseite 314 des flexiblen Teils 330 des Klappentellers 300 mindestens eine Aussparung 336 vorgesehen sein. Durch die Aussparung(en) 336 kann die Flexibilität im flexiblen Teil 330 gezielt angepasst bzw. erhöht werden. Die mindestens eine Aussparung 336 kann in Form zumindest einer in Umfangsrichtung angeordneten Nut ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Nut entlang der Umfangsrichtung eine geschlossene Nut sein oder sich über zumindest einen Teilbereich erstrecken. Es können zum Beispiel auch eine oder mehrere Nuten in Segmente aufgeteilt vorgesehen sein oder auch mehrere Nuten radial versetzt, die sich über den gesamten Umfang oder nur Teilbereiche/Segmente des Umfangs erstrecken.
Im Folgenden wird insbesondere auf 2 und 6 Bezug genommen. Zusätzlich (oder auch alternativ) zum Klappenteller 300 mit flexiblem Teil 330, kann auch ein Teil des Hebelarms 200 der Klappenanordnung 10 derart flexibel ausgestaltet sein, dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung 10, wenn der Klappenteller 300 mit dem Klappensitz 500 im Turbinengehäuse 3 in Kontakt ist, eine Relativbewegung des gesamten Klappentellers 300 bezüglich der Spindel 100 ermöglicht wird. Dies führt wiederum dazu, dass thermische Verformungen des Turbinengehäuses 3, Abgasablagerungen und/oder Verschleiß ausgeglichen werden können. Durch die Ausgestaltung der Klappenanordnung 10 mit einem flexiblen Hebelarm 200 wird bei entsprechender Kraftbeaufschlagung der Klappenanordnung 10 im geschlossenen Zustand der Hebelarm 200 leicht elastisch und/oder plastisch verformt, zum Beispiel gebogen. Dadurch können insbesondere die Unterschiede der, im Betrieb eines Turboladers auftretenden, thermischen Verformungen des Klappensitzes 500 noch besser ausgeglichen werden. Dies führt wiederum zu einem verbesserten Sitz des Klappentellers 300 auf dem Klappensitz 500 und folglich zu einer besseren Abdichtung des Wastegate-Kanals. Das Gleiche gilt für den Ausgleich von (ungleichmäßigem) Verschleiß und/oder Abgasablagerungen, die zu Leckage führen können. Die bessere Abdichtung ist gleichbedeutend mit einer geringeren Leckage, die wiederum eine Reduzierung der auf die Klappenanordnung 10 aufzubringenden Schließkraft im Vergleich zu bekannten steifen Klappenanordnungen ermöglicht. Außerdem wird wiederum die Gefahr eines Verklemmens („Sticking“) der Klappenanordnung 10 verringert.
Zusätzlich wurde herausgefunden, dass durch eine Kombination aus Klappenteller 300 mit flexiblem Bereich 330 und einem zumindest teilweise flexiblen Hebelarm 200, die Spannungen in der Klappenanordnung 10, insbesondere im Hebelarm 200, reduziert werden können. Geringere Spannungen erhöhen die Bauteilausfallsicherheit und die Lebensdauer der Klappenanordnung 10.
Je nach Ausgestaltungen der Klappenanordnung können ein oder mehrere Teilbereiche 220 des Hebelarms 200 flexibel ausgestaltet sein. Der oder die flexiblen Teilbereich 220 können zum Beispiel eine reduzierte Querschnittsfläche im Vergleich zum restlichen Hebelarm 200 aufweisen. Der Hebelarm 300 kann insbesondere derart gestaltet und bezüglich der Spindel 100 und des Klappentellers 300 angeordnet sein, dass der oder die flexiblen Teilbereiche 220 durch die Schließkraft im Wesentlichen druckbelastet werden, wenn keine thermischen Verformungen oder Verschleiß des Turbinengehäuses 3 auftreten bzw. Ablagerungen vorhanden sind. Eine derartige Anordnung und Ausgestaltung des bzw. der flexiblen Teilbereiche 220 hat den Vorteil, dass die gewünschte Wirkung des bzw. der flexiblen Teilbereiche 220, nämlich das Ausgleichen von thermischen Verformungen, tatsächlich nur auftritt, wenn thermische Verformungen oder Verschleiß auftreten und/oder der Klappenteller 300 aus anderen Gründen, wie zum Beispiel Ablagerungen, nicht mehr vollkommen eben auf dem Klappensitz 500 aufliegt. Wenn keine thermischen Verformungen oder Verschleiß auftreten bzw. Ablagerungen vorhanden sind, also wenn der Klappenteller 300 vollständig eben auf dem Klappensitz 500 aufliegt, dann sind der oder die flexiblen Teilbereiche 220 ausschließlich mit Druck belastet, so dass quasi keine Relativbewegung zwischen dem Klappenteller 300 und der Spindel 100 auftritt. Wenn aufgrund von thermischen Verformungen, Verschleiß oder anderen Gründen, wie z.B. Ablagerungen, der Klappenteller 300 nicht mehr vollständig eben auf dem Klappensitzt 500 aufliegt (Leckage tritt auf), dann wird beim Aufbringen der Schließkraft auf die Klappenanordnung 10 in der geschlossenen Stellung der Klappenanordnung 10 ein Moment in den oder die flexiblen Teilbereiche 220 eingeleitet. Das Moment führt aufgrund der zumindest teilweisen Flexibilität des Hebelarms 200 zu einer Relativbewegung des Klappentellers 300 bezüglich der Spindel, wodurch der Klappenteller 300 wieder vollständig eben auf dem Klappensitz 500 zum Aufliegen kommt. Dadurch wird eine besonders gute Abdichtung erzielt.
In 2 und 6 ist gezeigt, dass der Hebelarm 200 zumindest einen ersten Hebelarmabschnitt 230 und einen zweiten Hebelarmabschnitt 240 aufweisen kann, wobei ein Ende 210 des zweiten Hebelarmabschnitts 240 mit dem Klappenteller 300 gekoppelt ist. Der erste Hebelarmabschnitt 230 und der zweite Hebelarmabschnitt 240 können zum Beispiel einen Winkel 250 zwischen 20° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 70°, bevorzugt zwischen 40° und 60° einschließen. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der zweite Hebelarmabschnitt 240 im Wesentlichen orthogonal von der Oberseite 310 des Klappentellers 300. Der oder die flexiblen Teilbereiche 220 können im Bereich des zweiten Hebelarmabschnitts 240 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzliche können die flexiblen Teilbereiche 220 im Bereich des ersten Hebelarmabschnitts 230 angeordnet sein. In Alternativen Ausgestaltungen kann ein überwiegender Teil des Hebelarms 200, insbesondere der gesamte Hebelarm 200 flexibel ausgebildet sein.
Um die Flexibilität im Hebelarm 200 zu erreichen, können der oder die flexiblen Teilbereiche 220 des Hebelarms 200 eine geringere Biegesteifigkeit als der Rest des Hebelarms 200 und/oder die Spindel 100 aufweisen.
Bezugnehmend auf 6 ist ein Beispiel gezeigt, in dem thermische Verformung, Verschleiß und/oder Abgasablagerungen dazu führen, dass der Klappenteller 300 nicht plan auf dem Klappensitz 500 aufliegt. Der Berührpunkt A ist schon in Kontakt mit dem Klappensitz 500, aber es bleibt eine Schiefstellung des Klappentellers 300 und somit ein Spalt zwischen Klappenteller 300 und Klappensitz 500. Dabei ist in 6 exemplarisch eingezeichnet, wie Kräfte und Spannungen in einem solchen Fall auf den flexiblen Teilbereich 220 des Hebelarms 200 einwirken, wodurch eine entsprechende Anpassung der Position des Klappentellers 300 hervorgerufen wird und somit ein Aufliegen des gesamten Klappentellers 300 auf dem Klappensitz 500 ermöglicht wird. Die Schließkraft F, die von einem Moment T aufgrund der Drehung der Spindel 100 resultiert, wirkt auf den Hebelarm 200 mit dem flexiblen Teilbereich 220 ein. Die Kraft hat die Vektor-Komponenten F_Z und F_Y . Wenn die Kraft F auf den flexiblen Teilbereich 220 des Hebelarms 200 einwirkt, resultieren daraus in den gezeigten Bereichen des flexiblen Teilbereichs 220 Druckspannungen („Compression“) und Zugspannungen („Tension“). Aufgrund dieser Zug- und Druckspannungen, kann sich der Hebelarm 200 in seinem flexiblen Teilbereich 220 derart verformen, dass die Schiefstellung des Klappentellers 300 bezüglich des Klappensitzes 500 ausgeglichen werden kann, so dass der Klappenteller 300 wieder (fast) vollständig auf dem Klappensitz 500 aufliegt und die gewünschte Abdichtwirkung erzielt wird.
Ebenfalls in 6 zu sehen, ist ein Winkel α, der definiert ist als der Winkel zwischen der Ebene des Klappensitzes 500 und der Ebene der Unterseite 302 des Klappentellers 300. Im Neuzustand der Klappenanordnung 10 im eingebauten Zustand ist der Winkel α ungefähr 0°, da der Klappenteller 300 im geschlossenen Zustand im Wesentlichen plan auf dem Klappensitz 500 aufliegt. Wenn es zu thermischen Verformungen, Abgasablagerungen oder Verschleiß kommt, ändert sich die Position und/oder die Form des Klappensitzes 500 leicht. In geschlossener Stellung der Klappenanordnung 10, ohne Ausüben einer Anpresskraft auf den Klappenteller 300, stimmen dann die Ebenen, in denen der Klappensitz 500 und der Klappenteller 300 jeweils angeordnet sind, nicht mehr überein, so dass ein Winkel α größer 0° zwischen den beiden Ebenen entsteht und folglich der Klappenteller 300 nicht mehr abdichtend auf dem Klappensitz 500 aufliegt.
In Ausgestaltungen können nun der Klappenteller 300 allein oder der Hebelarm 200 allein oder auch die Kombination aus Klappenteller 300 und Hebelarm 200 so dimensioniert/geformt sein und derartige Materialeigenschaften aufweisen, sodass ein Winkel α von bis zu 3° ausgeglichen werden kann, wenn in die Spindel 100 ein Drehmoment im Bereich von 0,8 bis 20 Nm, bevorzug im Bereich von 1,5 bis 15 Nm, insbesondere im Bereich von 2 bis 10 Nm eingebracht wird. Das heißt, durch die flexible Ausgestaltung des Klappentellers 300 und/oder des Hebelarms 200 kann dieser Winkel α ausgeglichen werden, so dass eine bessere Abdichtung des Wastegate-Kanals erzielt wird.
Die Verformung(en) oder Verschiebung(en) des flexiblen Teils 330 des Klappentellers 300 und/oder des oder der flexiblen Teilbereiche 220 des Hebelarms 200 können dabei sowohl plastisch als auch elastisch sein. Da auch die Verschiebung bzw. Veränderung des Klappensitzes 500 durch thermische Einflüsse und/oder Verschleiß plastisch sein kann, kann insbesondere auch eine plastische Veränderung des Klappentellers 300 und/oder des Hebelarms 200 vorteilhaft sein, da dies zu einer dauerhaft besseren Abdichtung führen kann.
Der Flexibilität des Klappentellers 300, des Hebelarms 200 und/oder der Kombination aus Klappenteller 300 und Hebelarm 200 kann auch folgendermaßen definiert werden. Der Klappenteller 300 und/oder der Hebelarm 200 können dimensioniert sein und Materialeigenschaften aufweisen, sodass ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,10 mm bis 0,80 mm, insbesondere zwischen 0,24 mm und 0,4 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 125 MPa und 350 MPa an dem Hebelarm 200 angelegt wird. Insbesondere können der Klappenteller 300 und/oder der Hebelarm 200 dimensioniert sein und Materialeigenschaften aufweisen, sodass ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,32 mm und 0,36 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 150 MPa und 200 MPa am Hebelarm 200 angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,32 mm und 0,34 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 200 MPa und 250 MPa am Hebelarm 200 angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,32 mm und 0,34 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 300 MPa und 350 MPa am Hebelarm 200 angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,28 mm und 0,32 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 300 MPa und 350 MPa am Hebelarm 200 angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,38 mm und 0,40 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 250 MPa und 300 MPa am Hebelarm 200 angelegt wird; und ein Versatz des Klappentellers 300 von zwischen 0,26 mm und 0,28 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 125 MPa und 175 MPa am Hebelarm 200 angelegt wird.
Zusätzlich zum teilweise flexiblen Klappenteller 300 und/oder (teilweise) flexiblen Hebelarm 200 kann auch die Spindel 100 mit einer gewissen Flexibilität ausgestattet werden. Zum Beispiel kann ein mittlerer Teil der Spindel 100 flexibler als die beiden Randbereiche der Spindel 100 (in axialer Richtung gesehen) sein. Dies kann zum Beispiel über einen verringerten Spindeldurchmesser im mittleren Teil der Spindel 100 realisiert werden. Über eine derartige Maßnahme kann die Abdichtwirkung der Klappenanordnung 10 weiter verbessert werden.
Vorangehend wurde eine flexible Klappenanordnung 10 beschrieben, wobei Teile 220 des Hebelarms 200 oder der gesamte Hebelarm 200 flexibel ausgestaltet sein können, Teile 330 des Klappentellers 300 flexibel ausgestaltet sein können und/oder Teile der Spindel 100 flexibel ausgestaltet sein können. Die gewünschte Flexibilität der Klappenanordnung 10 kann dabei durch eine oder mehrere der vorangehend beschriebenen Maßnahmen erreicht werden. Dabei kann man von einer flexiblen Klappenanordnung 10 (wenn Spindel 100, Hebelarm 200 und Klappenteller 300 zusammenwirken) im Sinne der Erfindung sprechen, wenn elastische und/oder plastische Verformung (inkl. Kriechdehnung) erreicht wird, bei einer Systemsteifigkeit der Klappenanordnung 10 von maximal 2500 N/mm und einer mittleren Materialtemperatur von ungefähr 850°C. Systemsteifigkeit bezieht sich dabei auf das System aus Spindel 100, Hebelarm 200 und Klappenteller 300, die fest/steif miteinander verbunden oder einstückig ausgebildet sind. Die Steifigkeit ist dabei definiert als F/ΔL. F ist die Kraft, die in einem Versuchsaufbau zum Ermitteln der Systemsteifigkeit am äußeren Rand des Klappentellers 300, im Berührpunkt A, aufgebracht wird. Dabei wird die Kraft senkrecht zur Unterseitenfläche U_A aufgebracht, wenn die Spindel 100 in einer festen Position fixiert ist. ΔL ist die von der Kraft auf den Klappenteller 300 verursachte (plastische und/oder elastische) Verformung des Systems.
Die Spindel 100 und der Hebelarm 200 können einstückig ausgestaltet sein. Einstückig bedeutet, dass die Spindel 100 und der Hebelarm 200 als ein gemeinsames (integrales) Bauteil gefertigt sind (zum Beispiel als Gussteil). Gleiches gilt alternativ für den Hebelarm 200 und den Klappenteller 300, die ebenfalls einstückig ausgebildet sein können. Als weitere Alternative können auch die Spindel 100, der Hebelarm 200 und der Klappenteller 300 einstückig ausgebildet sein. Das heißt, ein einziges Bauteil umfasst integral die Spindel 100, den Hebelarm 200 und den Klappenteller 300.
In allen Ausgestaltungen ist der Klappenteller 300 fest mit dem Hebelarm 200 verbunden. Insbesondere kann der Hebelarm 200 mit dem Klappenteller 300 verschweißt sein. Zum Beispiel kann der Klappenteller 300 an seiner Oberseite 310 eine kugelförmige Aussparung 312 aufweisen, in der ein kugelförmiges Ende 210 des Hebelarms 200 angeordnet sein kann (siehe 6). Eine derartige Ausgestaltung erleichtert die Montage der Klappenanordnung 10 und das ausgerichtete Koppeln von Hebelarm 200 und Klappenteller 300 mittels einer Schweißverbindung.
Der Klappenteller 300, der Hebelarm 200 und/oder die Spindel 100 können als Metal-Injection-Moulding (MIM) Teile gefertigt sein. Die Spindel 100, der Hebelarm 200 und der Klappenteller 300 können jeweils als eigenständige MIM-Teile ausgebildet sein, die dann entsprechend miteinander verbunden werden. Alternativ können Spindel 100 und Hebelarm 200, Hebelarm 200 und Klappenteller 300 oder Spindel 100, Hebelarm 200 und Klappenteller 300 als ein integrales MIM-Teil gefertigt sein.
Unabhängig von der Fertigung der Einheit aus Spindel 100, Hebelarm 200 und Klappenteller 300, heißt das, dass der Hebelarm 200 und der Klappenteller 300 in ihrem Verbindungsbereich starr miteinander verbunden sind. In anderen Worten, es ist quasi keine Relativbewegung zwischen dem Hebelarm 200 und dem Klappenteller 300 durch Verformung oder dergleichen in diesem Verbindungsbereich, der im Bereich des steifen Teils 335 angeordnet ist, möglich.
Wie bereits eingangs beschrieben, umfasst die Erfindung auch eine Turbine 2 für einen Abgasturbolader 1 mit einem Turbinengehäuse 3 und einem Wastegateventil, das geeignet ist Abgas an einem Turbinenrad 4 der Turbine 2 vorbeizuleiten. Das Wastegateventil umfasst eine Klappenanordnung 10 gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die Erfindung umfasst außerdem einen Abgasturbolader 1 mit einer derartigen Turbine 2.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben beschrieben wurde und in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, sollte verstanden werden, dass die Erfindung alternativ auch entsprechend der folgenden Ausführungsformen definiert werden kann:

1. Klappenanordnung (10) für eine Turbine (2) eines Abgasturboladers (1), insbesondere für ein Wastegate-Ventil der Turbine (2), mit einer Spindel (100) zur drehbaren Lagerung der Klappenanordnung (10) in einem Turbinengehäuse (3); einem Hebelarm (200), wobei der Hebelarm (200) mit der Spindel (100) gekoppelt ist; und einem Klappenteller (300), wobei der Klappenteller (300) mit dem Hebelarm (200) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) einen flexiblen Teil (330) in einem radial äußeren Bereich des Klappentellers (300) aufweist, so dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung (10), wenn der Klappenteller (300) mit einem Klappensitz (500) im Turbinengehäuse (3) in Kontakt ist, eine elastische und/oder plastische Verformung des flexiblen Teils (330) des Klappentellers (300) hervorgerufen werden kann, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses (3), Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen.
2. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) außerdem einen steifen Teil (335) aufweist, wobei der flexible Teil (330) den steifen Teil (335) umgibt.
3. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) kreisförmig oder oval ist und der flexible Teil (330) ein ringförmiger Bereich (330) ist.
4. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 2 oder Ausführungsform 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) eine Unterseite (302) aufweist, wobei die Unterseite (302) eine Unterseitenfläche (U_A ) aufweist, und wobei die Unterseitenfläche (U_A ) eine erste Teilfläche (T_F ), die dem flexiblen Teil (330) zugeordnet ist, und eine zweite Teilfläche (T_S ), die dem steifen Teil (335) zugeordnet ist, umfasst.
5. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilfläche (T_F ) größer oder gleich dem 0,2-fachen der Unterseitenfläche (U_A ) ist, insbesondere größer oder gleich dem 0,4-fachen der Unterseitenfläche (U_A ) ist, besonders bevorzugt größer oder gleich dem 0,5-fachen der Unterseitenfläche (U_A ) ist.
6. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 4 oder Ausführungsform 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) einen Berührpunkt (A) auf dem Rand des Klappentellers (300) aufweist, der im eingebauten Zustand beim Schließvorgang der Klappenanordnung (10) als erstes mit dem Klappensitz (500) in Kontakt tritt, wobei eine Hebellänge (L_H ) definiert ist als der Abstand zwischen dem Berührpunkt (A) und einem geometrischen Schwerpunkt (C) der zweiten Teilfläche (Ts), und eine Maximallänge (L_Max ) definiert ist als der maximale Abstand zweier gegenüberliegender Punkte auf dem Rand des Klappentellers (300).
7. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis von L_H zu L_Max gilt: $0,20 \leq L_{H} / L_{Max} \leq 0,95, insbesondere 0,40 \leq L_{H} / L_{Max} \leq 0,90.$
8. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 6 oder Ausführungsform 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flexlänge (L_F ) definiert ist als der Abstand zwischen dem Berührpunkt (A) und einer Außenkante der zweiten Teilfläche (Ts), wobei für ein Verhältnis von L_F / L_H gilt: 0,20 ≤ L_F / L_H ≤ 0,95, insbesondere 0,40 ≤ L_F / L_H ≤ 0,90.
9. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) im Bereich einer äußeren Kante des flexiblen Teils (330) eine Dicke (D_t ) aufweist.
10. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte flexible Teil (330) des Klappentellers (300) eine konstante Dicke entsprechend der Dicke (D_t ) aufweist.
11. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 9, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Teil (330) des Klappentellers (300) unterschiedliche Dicken aufweist, insbesondere gesehen in radialer Richtung von der äußeren Kante hin zum steifen Teil (335).
12. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des flexiblen Teils (330) in radialer Richtung hin zum steifen Teil (335) zunimmt; oder dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des flexiblen Teils (330) in radialer Richtung hin zum steifen Teil (335) abnimmt.
13. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite (302) und/oder einer Oberseite (314) des flexiblen Teils (330) mindestens eine Aussparung (336) vorgesehen ist.
14. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aussparung (336) in Form zumindest einer in Umfangsrichtung angeordneten Nut ausgestaltet ist, insbesondere wobei die Nut entlang der Umfangsrichtung eine geschlossene Nut ist oder sich über zumindest einen Teilbereich erstreckt.
15. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Hebelarms (200) derart flexibel ausgestaltet ist, dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung (10), wenn der Klappenteller (300) mit einem Klappensitz (500) im Turbinengehäuse (3) in Kontakt ist, eine Relativbewegung des gesamten Klappentellers (300) bezüglich der Spindel (100) ermöglicht wird, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses (3), Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen.
16. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 15, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein oder mehrere Teilbereiche (220) des Hebelarms (200) flexibel ausgestaltet sind.
17. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 16, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Teilbereich (220) eine reduzierte Querschnittsfläche im Vergleich zum restlichen Hebelarm (200) aufweist.
18. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 16 oder Ausführungsform 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (200) derart gestaltet und bezüglich der Spindel (100) und des Klappentellers (300) angeordnet ist, dass der flexible Teilbereich (220) durch die Schließkraft im Wesentlichen druckbelastet wird, wenn keine thermischen Verformungen oder Verschleiß des Turbinengehäuses (3) auftreten bzw. keine Abgasablagerungen vorhanden sind.
19. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (200) zumindest einen ersten Hebelarmabschnitt (230) und einen zweiten Hebelarmabschnitt (240) aufweist, wobei ein Ende (210) des zweiten Hebelarmabschnitts (240) mit dem Klappenteller (300) gekoppelt ist.
20. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 19, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die flexiblen Teilbereiche (220) im Bereich des zweiten Hebelarmabschnitts (240) angeordnet sind, und/oder, dass der oder die flexiblen Teilbereiche (220) im Bereich des ersten Hebelarmabschnitts (230) angeordnet sind.
21. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Teil des Hebelarms (200), insbesondere der gesamte Hebelarm (200) flexibel ausgebildet ist.
22. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die flexiblen Teilbereiche (220) des Hebelarms (200) eine geringere Biegesteifigkeit als der Rest des Hebelarms (200) und/oder die Spindel (100) aufweisen.
23. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, er Klappenteller (300) und/oder, falls von Ausführungsform 15 abhängig, der Hebelarm (200) dimensioniert ist/sind, und Materialeigenschaften aufweist/aufweisen, sodass ein Winkel (α) von bis zu 3° ausgeglichen werden kann, wenn in die Spindel (100) ein Drehmoment im Bereich von 0,8 bis 20 Nm, bevorzug im Bereich von 1,5 bis 15 Nm, insbesondere im Bereich von 2 bis 10 Nm eingebracht wird, wobei der Winkel (α) definiert ist als der Winkel zwischen der Ebene des Klappensitzes (500) und der Ebene einer Unterseite (302) des Klappentellers (300).
24. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) und/oder, falls von Ausführungsform 15 abhängig, der Hebelarm (200) dimensioniert ist/sind und Materialeigenschaften aufweist/aufweisen, sodass ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,10 mm bis 0,80 mm, insbesondere zwischen 0,24 mm und 0,4 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 125 MPa und 350 MPa an dem Hebelarm (200) angelegt wird.
25. Klappenanordnung gemäß Ausführungsform 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) und/oder, falls von Ausführungsform 15 abhängig, der Hebelarm (200) derart dimensioniert ist/sind und Materialeigenschaften aufweist/aufweisen, sodass ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,32 mm und 0,36 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 150 MPa und 200 MPa am Hebelarm (200) angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,32 mm und 0,34 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 200 MPa und 250 MPa am Hebelarm (200) angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,32 mm und 0,34 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 300 MPa und 350 MPa am Hebelarm (200) angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,28 mm und 0,32 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 300 MPa und 350 MPa am Hebelarm (200) angelegt wird; ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,38 mm und 0,40 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 250 MPa und 300 MPa am Hebelarm (200) angelegt wird; und ein Versatz des Klappentellers (300) von zwischen 0,26 mm und 0,28 mm ermöglicht wird, wenn ein Spannungsniveau von zwischen 125 MPa und 175 MPa am Hebelarm (200) angelegt wird.
26. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (100) und der Hebelarm (200) einstückig ausgestaltet sind, oder, dass der Hebelarm (200) und der Klappenteller (300) einstückig ausgebildet sind, oder, dass die Spindel (100), der Hebelarm (200) und der Klappenteller (300) einstückig ausgebildet sind.
27. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) fest mit dem Hebelarm (200) verbunden ist, insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (200) mit dem Klappenteller (300) verschweißt ist.
28. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) an seiner Oberseite (310) eine kugelförmige Aussparung (312) aufweist, in der ein kugelförmiges Ende (210) des Hebelarms (200) angeordnet ist.
29. Klappenanordnung gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300), der Hebelarm (200) und/oder die Spindel (100) als MIM-Teil gefertigt sind.
30. Turbine (2) für einen Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (3); und einem Wastegateventil, das geeignet ist Abgas an einem Turbinenrad (4) der Turbine vorbeizuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil eine Klappenanordnung (10) gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen umfasst.
31. Turbine gemäß Ausführungsform 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (3) eine Buchsenbohrung aufweist, in der eine Buchse angeordnet ist, wobei die Spindel (100) der Klappenanordnung (10) drehbar in der Buchse gelagert ist.
32. Abgasturbolader (1) mit einer Turbine (2) gemäß Ausführungsform 30 oder Ausführungsform 31.

Claims

Klappenanordnung (10) für eine Turbine (2) eines Abgasturboladers (1), insbesondere für ein Wastegate-Ventil der Turbine (2), mit einer Spindel (100) zur drehbaren Lagerung der Klappenanordnung (10) in einem Turbinengehäuse (3); einem Hebelarm (200), wobei der Hebelarm (200) mit der Spindel (100) gekoppelt ist; und einem Klappenteller (300), wobei der Klappenteller (300) mit dem Hebelarm (200) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) einen flexiblen Teil (330) in einem radial äußeren Bereich des Klappentellers (300) aufweist, so dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung (10), wenn der Klappenteller (300) mit einem Klappensitz (500) im Turbinengehäuse (3) in Kontakt ist, eine elastische und/oder plastische Verformung des flexiblen Teils (330) des Klappentellers (300) hervorgerufen werden kann, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses (3), Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) außerdem einen steifen Teil (335) aufweist, wobei der flexible Teil (330) den steifen Teil (335) umgibt.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) eine Unterseite (302) aufweist, wobei die Unterseite (302) eine Unterseitenfläche (U_A) aufweist, und wobei die Unterseitenfläche (U_A) eine erste Teilfläche (T_F), die dem flexiblen Teil (330) zugeordnet ist, und eine zweite Teilfläche (Ts), die dem steifen Teil (335) zugeordnet ist, umfasst.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilfläche (T_F) größer oder gleich dem 0,2-fachen der Unterseitenfläche (U_A) ist, insbesondere größer oder gleich dem 0,4-fachen der Unterseitenfläche (U_A) ist, besonders bevorzugt größer oder gleich dem 0,5-fachen der Unterseitenfläche (U_A) ist.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) einen Berührpunkt (A) auf dem Rand des Klappentellers (300) aufweist, der im eingebauten Zustand beim Schließvorgang der Klappenanordnung (10) als erstes mit dem Klappensitz (500) in Kontakt tritt, wobei eine Hebellänge (L_H) definiert ist als der Abstand zwischen dem Berührpunkt (A) und einem geometrischen Schwerpunkt (C) der zweiten Teilfläche (Ts), und eine Maximallänge (L_Max) definiert ist als der maximale Abstand zweier gegenüberliegender Punkte auf dem Rand des Klappentellers (300); insbesondere wobei für das Verhältnis von L_H zu L_Max gilt: $0,20 \leq L_{H} / L_{Max} \leq 0,95, insbesondere 0,40 \leq L_{H} / L_{Max} \leq 0,90.$
Klappenanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flexlänge (L_F) definiert ist als der Abstand zwischen dem Berührpunkt (A) und einer Außenkante der zweiten Teilfläche (T_S), wobei für ein Verhältnis von L_F / L_H gilt: $0,20 \leq L_{F} / L_{H} \leq 0,95, insbesondere 0,40 \leq L_{F} / L_{H} \leq 0,90.$
Klappenanordnung gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite (302) und/oder einer Oberseite (314) des flexiblen Teils (330) mindestens eine Aussparung (336) vorgesehen ist.
Klappenanordnung gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Hebelarms (200) derart flexibel ausgestaltet ist, dass durch das Aufbringen einer Schließkraft auf die Klappenanordnung (10), wenn der Klappenteller (300) mit einem Klappensitz (500) im Turbinengehäuse (3) in Kontakt ist, eine Relativbewegung des gesamten Klappentellers (300) bezüglich der Spindel (100) ermöglicht wird, um thermische Verformungen des Turbinengehäuses (3), Abgasablagerungen und/oder Verschleiß auszugleichen.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein oder mehrere Teilbereiche (220) des Hebelarms (200) flexibel ausgestaltet sind.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (200) derart gestaltet und bezüglich der Spindel (100) und des Klappentellers (300) angeordnet ist, dass der flexible Teilbereich (220) durch die Schließkraft im Wesentlichen druckbelastet wird, wenn keine thermischen Verformungen oder Verschleiß des Turbinengehäuses (3) auftreten bzw. keine Abgasablagerungen vorhanden sind.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (200) zumindest einen ersten Hebelarmabschnitt (230) und einen zweiten Hebelarmabschnitt (240) aufweist, wobei ein Ende (210) des zweiten Hebelarmabschnitts (240) mit dem Klappenteller (300) gekoppelt ist; insbesondere wobei der oder die flexiblen Teilbereiche (220) im Bereich des zweiten Hebelarmabschnitts (240) angeordnet sind, und/oder, dass der oder die flexiblen Teilbereiche (220) im Bereich des ersten Hebelarmabschnitts (230) angeordnet sind.
Klappenanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Teil des Hebelarms (200), insbesondere der gesamte Hebelarm (200) flexibel ausgebildet ist.
Klappenanordnung gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (300) und/oder, falls von Anspruch 15 abhängig, der Hebelarm (200) dimensioniert ist/sind, und Materialeigenschaften aufweist/aufweisen, sodass ein Winkel (α) von bis zu 3° ausgeglichen werden kann, wenn in die Spindel (100) ein Drehmoment im Bereich von 0,8 bis 20 Nm, bevorzug im Bereich von 1,5 bis 15 Nm, insbesondere im Bereich von 2 bis 10 Nm eingebracht wird, wobei der Winkel (α) definiert ist als der Winkel zwischen der Ebene des Klappensitzes (500) und der Ebene einer Unterseite (302) des Klappentellers (300).
Turbine (2) für einen Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (3); und einem Wastegateventil, das geeignet ist Abgas an einem Turbinenrad (4) der Turbine vorbeizuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil eine Klappenanordnung (10) gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Abgasturbolader (1) mit einer Turbine (2) gemäß Anspruch 14.