DE4337097C2

DE4337097C2 - Tragkonstruktion für eine keramische Drosselklappenanordnung

Info

Publication number: DE4337097C2
Application number: DE4337097A
Authority: DE
Inventors: Kenichiro Takama; Kimihide Horio; Michihiko Miyasaka; Takafumi Tsurumaru; Shinsuke Takenishi
Original assignee: Kyocera Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-11-02
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: US5350154A; DE4337097A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tragkonstruktion für eine keramische Drosselklappenanordnung, welche Konstruk tion beispielsweise verwendet wird, um eine aus Keramikma terial gefertigte Abgasregelklappe an einer Abgasleitung aus Stahl einer mit einem Turbolader ausgestatteten Brenn kraftmaschine zu lagern oder abzustützen.

Brennkraftmaschinen enthalten teilweise ein Doppel-Turbola dersystem, wobei zwei Turbolader vorgesehen sind und ein Einlaßregelventil sowie ein Auslaßregelventil in einer An saug- bzw. einer Abgasleitung von einem der beiden Turbo lader angeordnet sind. Das ermöglicht es, den Turbolader betrieb zwischen einem Betrieb mit einem Turbolader und einem Betrieb mit zwei Turboladern umzuschalten, indem die Ansaug- und Abgasregelklappen geöffnet und geschlossen wer den. Bei diesen Maschinen werden die Abgasregelklappen vor zugsweise aus Keramikmaterial gefertigt, um die thermische Standfestigkeit, die Betriebszuverlässigkeit, wie Verhindern eines Hängenbleibens oder Festsetzens, und die Ansprechcharak teristik durch Verminderung einer Gasleckage zu verbessern.

Da jedoch ein Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Keramik- und dem Abgasleitungsmaterial besteht, wird eine Tragkonstruktion für die Abgasregelklappe, d. h. eine leistungsfähige keramische Drosselklappen-Ventilanordnung, an der Abgasleitung benötigt. Wenn ein Zwischenraum zu ge ring ist, kann dieser nicht die Wärmeausdehnung aufnehmen oder absorbieren, so daß eine übermäßig große Kraft auf das keramische Bauteil einwirken wird. Wenn andererseits der Zwischenraum zu groß ist, wird die keramische Drossel klappenanordnung Vibrationen hervorrufen und kann sie auf grund einer Kollision mit dem Metallbauteil zerbrochen werden.

Die JP-GM-Schrift SHO 55-175663 schlägt eine Tragkonstruk tion für eine keramische Drosselklappenanordnung vor, wobei eine keramische Auskleidung oder Schicht an einer Innenflä che des ringförmigen Metallgehäuses angebracht ist und eine keramische Drosselklappe, die von einer Klappenwelle durchsetzt wird, innenseitig der keramischen Auskleidung so angeordnet ist, daß sie um eine Achse der Klappenwelle drehbar ist.

Wenn diese Konstruktion als ein sehr hoher Temperatur ausge setztes Teil angewendet wird, wie z. B. als Abgasregelklappe einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, wird jedoch die keramische Auskleidung aufgrund des Wärmedehnungsunter schiedes zwischen dem metallischen Ventilgehäuse und der ke ramischen Auskleidung zerbrochen. Weil ferner die kerami sche Auskleidung einstückig am Ventilgehäuse angebracht ist, kann die keramische Auskleidung, wenn hochspringende Steine gegen das Ventilgehäuse schlagen, aufgrund des Anpralls zer brochen werden.

Weil ferner bei der Vorrichtung nach der oben angegebenen Veröffentlichung ein zentraler Teil der keramischen Drossel klappe, durch den sich die Klappenwelle zieht, groß ist, wird eine Querschnittsfläche eines Abgasströmungskanals vermindert und das Übergangsansprechverhalten des Turbola ders verschlechtert. Da des weiteren die Drosselklappe in eine zu einer Achse der keramischen Auskleidung rechtwink lige Position im Schließzustand des Ventils gedreht wird, können Fremdkörper in den Raum zwischen der Klappe und der Auskleidung eintreten, was ein Festsitzen der Klappe am Ventilgehäuse hervorruft.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Tragkon struktion einer keramischen Drosselklappenanordnung zu schaffen, mit der eine unver änderliche, konstante Abdicht- oder Verschlußkraft zwischen dem keramischen Bauteil und dem metallischen Bauteil aufrecht erhalten und ein Zwischen- oder Spielraum zwischen diesen Teilen vermieden werden kann.

Dabei soll eine ruhige, leichtgängige Drehung der Drosselklappe ge währleistet und wirksam eine Leckage von Abgas durch das Ventil hindurch, wenn die Klappe geschlossen ist, unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung werden aus der folgen den, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Übersichtsdarstellung einer Tragkonstruktion einer keramischen Drosselklappen anordnung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform

Fig. 2 eine Ansicht eines Metallrohrs der Konstruktion von Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Metallrohrs der Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab eines Teils der Konstruktion der Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Welle und einer Klappe einer keramischen Drosselklappenanordnung in der Konstruktion der Fig. 4;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Welle und die Klappe der Fig. 5;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Welle und der Klappe von Fig. 5;

Fig. 8 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab einer Dichtung und deren Umgebungsbereichs der kerami schen Drosselklappenanordnung der Fig. 5;

Fig. 9 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab der Dich tung der Fig. 8;

Fig. 10 einen Querschnitt einer weiteren Dichtung und deren Umgebungsbereichs, die in der Konstruktion von Fig. 1 angewendet wird.

Fig. 11 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab der in Fig. 10 dargestellten Dichtung;

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma schine mit einem Doppel-Turboladersystem, das eine Abgasregelklappe enthält, auf welche die Konstruk tion von Fig. 1 Anwendung findet;

Fig. 13 eine graphische Darstellung von Gasleckagemengen in Fällen einer keramischen und einer metallischen Drosselklappenanordnung;

Fig. 14 ein Diagramm des Übergangsansprechverhaltens in Fäl len einer keramischen und einer metallischen Drossel klappenanordnung;

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer Drosselklappenan ordnung in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 16 eine Schnittdarstellung der Ventilanordnung von Fig. 15;

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer Welle der Drossel klappenanordnung von Fig. 15;

Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer Klappe der in Fig. 15 dargestellten Drosselklappenanordnung.

Es werden zwei Ausführungsformen der Erfindung erläutert, wobei die erste Ausführungsform die in den Fig. 1-14 ge zeigte Tragkonstruktion einer keramischen Drosselklappenan ordnung ist, während die zweite Ausführungsform sich auf die Fig. 15-18 bezieht. Gleiche Teile werden durchgehend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die in Fig. 1 gezeigte Tragkonstruktion einer keramischen Drosselklappenanordnung in der ersten erfindungsgemäßen Aus führungsform umfaßt zwei Metallrohre 1 und 2, eine kerami sche Klappenanordnung 4 und Dichtungen 3, die zwischen der Klappenanordnung 4 sowie den beiden Metallrohren 1 und 2 liegen.

Die Metallrohre 1 und 2 haben, wie in den Fig. 1-3 gezeigt ist, Flansche 7 bzw. 8 und sind untereinander durch Schrau ben an den Flanschen verbunden. Jedes der Metallrohre 1 und 2 ist als ein Doppelrohr ausgebildet. Im einzelnen enthält das Doppelrohr 1 zwei Rohrstücke 1A und 1B, die am Flansch 7 einstückig verbunden sind, während das Doppelrohr 2 zwei Rohrstücke 2A und 2B aufweist, die am Flansch 8 zu einer Einheit verbunden sind. An einem stromabwärtigen Bereich ver einigen sich die beiden Rohrstücke 2A und 2B zu einem einzi gen Rohr.

Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, ist an einem inneren Bereich des Flansches 8 des einen Rohrstücks 2A der beiden Metallrohre 2 eine Ausnehmung oder Vertiefung 9 ausgebil det, die einen Absatz 9A besitzt, der von einem Rohrende beabstandet ist und in axialer Richtung der Vertiefung eine vorspringende Fläche bildet. Die Vertiefung 9 ist zum Rohr stück 9A koaxial und hat einen größeren Durchmesser gegen über dem Innendurchmesser des Rohrstücks 2A. Die kerami sche Klappenanordnung 4 ist innerhalb der Vertiefung 9 montiert.

Die keramische Klappenanordnung 4 enthält ein keramisches, in Fig. 4 dargestelltes Gehäuse 10, eine keramische Welle 11, die in den Fig. 5-7 dargestellt ist, und eine kera mische Klappe 12. Das Keramikgehäuse 10 hat eine im wesent lichen zylindrische Wand, die eine innenliegende Bohrung 13 begrenzt. Wellenlagerbohrungen 14 sind in der Wand ausgebil det und verlaufen rechtwinklig zu einer Längsachse des Ke ramikgehäuses 10. Die keramische Welle 11 hat einander ent gegengesetzte Enden, die drehbar in den Wellenlagerbohrun gen 14 aufgenommen sind, so daß sie mit Bezug zum Gehäuse 10 um eine Achse der Welle 11 drehbar ist. Die Keramikklappe 12 ist fest mit der keramischen Welle 11 verbunden und in der im Gehäuse 10 ausgebildeten Bohrung angeordnet. Die Klappe 12 dreht zusammen mit der Welle 11 relativ zum Ge häuse 10. Das das Gehäuse 10, die Welle 11 und die Klappe 12 bildende Keramikmaterial kann beispielsweise Silizium nitrid sein. Die Welle 11 und die Klappe 12 können einteilig ausgebildet oder als getrennte Teile gefertigt sein, die dann zu einem Stück durch beispielsweise eine Diffusionsverbin dung oder -schweißung vereinigt werden.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist eine Metallmanschette 15 fest mit dem einen Ende der keramischen Welle 11 durch einen Löt vorgang unter Verwendung von Silber verbunden, und an der Manschette 15 ist ein Metallhebel 16 fest angebracht. Die Fig. 1 zeigt, daß ein Stellantrieb 5 mit dem Metallhebel 16 verbunden ist, wodurch die Keramikklappe 12 um die Achse der keramischen Welle 11 mittels des Hebels 16 und der Man schette 15 gedreht wird, um die Klappe 12 zu öffnen und zu schließen. Der Stellantrieb 5 enthält einen Membranantrieb mit einer Membrankammer, welcher über eine druckführende Leitung ein Ladedruck oder ein Ansaugkrümmer-Unterdruck zu geführt wird. In der druckführenden Leitung ist ein Betriebs art-Magnetregelventil angeordnet, so daß die Klappe 12 zu einem willkürlichen Öffnungsgrad hin geöffnet wird.

Den Fig. 4 und 8 ist zu entnehmen, daß die Dichtungen 3 zwi schen dem Absatz 9A der Vertiefung 9 des Rohrstücks 2A des einen Metallrohrs 2 und einer Stirnfläche 17 des Gehäuses 10, die dem Absatz 9A gegenüberliegt, sowie zwischen einer Stirnfläche 18 des Flansches 7 des Rohrstücks 1A des anderen Metallrohrs 1 und einer Stirnfläche 19 des Gehäuses 10, die dem Flansch 7 gegenüberliegt, angeordnet sind. Ferner ist, wie in den Fig. 10 und 4 gezeigt ist, eine Kehle 20 rund um die Bohrung des Rohrstücks 2B des Metallrohrs 2 ausgebildet, in welcher eine weitere Dichtung 6 untergebracht ist, die von der Dichtung 3 getrennt ist.

Jede der Dichtungen 3 hat einen größeren linearen Wärmedeh nungskoeffizienten als die beiden Metallrohre 1 und 2. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, enthält die Dichtung 3 wenigstens eine oder auch zwei ringförmige Platten 21 und 22, die aus rostfreiem Stahl gebildet sind, um den linearen Wärmedehnungs koeffizienten einzuregeln. An axial entgegengesetzten Sei ten der ringförmigen Platten 21 und 22 sind gekröpfte Ring stücke 23 aus Federmetall ausgestaltet, und aus rastfreiem Stahl gefertigte Dichtungs- oder Spannringe 24 und 25 sind an inneren und äußeren Bereichen der ringförmigen Platten 21 und 22 vorgesehen, wobei diese Platten 21, 22 und die gekröpften Ringstücke 23 durch die Spannringe 24 und 25 zu sammengeklemmt werden. Das gekröpfte Ringstück 23 hat einen ersten Abschnitt 23A, der mit den ringförmigen Platten 21 und 22 in Anlage ist, zweite Abschnitte 23B, die von den ringförmigen Platten 21 und 22 in einem freien, unbelaste ten Zustand der Ringstücke beabstandet sind, und einen drit ten Abschnitt 23C, der den ersten Abschnitt 23A und den zwei ten Abschnitt 23B verbindet. Wenn die Dichtungen zwischen der Klappenanordnung und den Metallrohren zusammengedrückt wer den, werden die zweiten Abschnitte 23B gegen die ringförmi gen Platten 21 und 22 gepreßt.

Im einzelnen betragen die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls des Rohrs 2, des Keramikmaterials und des rost freien Stahls (SUS 304) 14,7 × 10^-6 bzw. 3,2 × 10^-6 bzw. 18,9 × 10^-6. Deshalb wird, wenn die Dichtung 3 mit dem gekröpften Ringstück 23 unter Druckanlage gegen die entge gegengesetzte Fläche 9A bei Raumtemperatur zusammengebaut wird, ein bei hoher Temperatur aufgrund eines Wärmedehnungs unterschiedes zwischen dem Metallrohr 2 und dem Keramikgehäu se 10 erzeugter Zwischen- oder Spielraum durch die große Wärmedehnung der ringförmigen Platten 21 und 22 absorbiert oder aufgenommen. Als Ergebnis wird der Berührungsdruck, mit dem das Ringstück 23 gegen die gegenüberliegende Fläche 9A bzw. 22 gepreßt wird, nicht abgeschwächt, und die Abdicht wirkung zwischen den Flanschen wird aufrechterhalten. Fer ner verhindert die Verformung des Ringstücks 23 ein Einwir ken einer übermäßig großen Kraft auf das Keramikgehäuse 10 und damit ein Brechen dieses Gehäuses aufgrund des Wärmedeh nungsunterschiedes zwischen dem Keramikgehäuse 10 sowie dem Metallrohr 2.

Wie in Fig. 11 gezeigt ist, ist die Dichtung 6 als eine Sta pelanordnung von Graphitplatten 26 und gewellten Platten 27 aus rostfreiem Stahl ausgebildet, wobei diese Platten durch Dichtungs- oder Spannringe 28 und 29 an einer inneren und äußeren Fläche der Stapelanordnung fest verbunden werden. Um eine Gasströmung durch einen Zwischenraum zwischen der Klappe 12 und der Bahrung 13, wenn die Klappe 12 geschlos sen ist, zu minimieren, wird dieser Zwischenraum zwischen der Klappe 12 und der Bohrung 13 auf einen kleinen Wert fest gesetzt. Um in ähnlicher Weise eine Gasleckage an der Welle 11 und der Wellenlagerbohrung 14 zu minimieren, wird ein Zwischenraum zwischen dieser Welle 11 und der Lagerbohrung 14 ebenfalls mit einem kleinen Wert festgesetzt.

Die Fig. 12 zeigt einen Anwendungsfall der vorstehend be schriebenen Tragkonstruktion für eine keramische Drosselklap penanordnung, wobei diese auf eine Abgasregelklappe Anwen dung findet, die in eine Abgasleitung einer Brennkraftma schine eingebaut ist, welche mit einem Doppel-Turbolader system arbeitet. Zwei Turbolader 31 und 32 sind in Parallel anordnung mit Bezug zur Brennkraftmaschine 30 vorgesehen. Der eine Turbolader 31 wird über einen gesamten Bereich von Ansaugluftmengen betrieben, während der andere Turbolader 32 lediglich bei großen Ansaugluftmengen betrieben wird. Um den Maschinenbetrieb zwischen einem Einzel-Turboladerbe trieb, wobei nur der Lader 31 tätig ist, und einem Doppel- Turboladerbetrieb, wobei beide Lader 31 und 32 betrieben werden, umzuschalten, ist eine Abgasregelklappe 34 in eine Abgasleitung 33, die mit einer Turbine des Turboladers 32 verbunden ist, eingebaut, während eine Ansaugregelklappe 36 in eine Ansaugleitung 35 eingebaut ist, die mit einem Kom pressor des Turboladers 32 verbunden ist. Wenn die Abgasre gelklappe 34 und die Ansaugregelklappe 36 geschlossen sind, ist der Turbolader 32 stillgesetzt, und es arbeitet lediglich der Turbolader 31, so daß der Einzel-Turboladerbetrieb gege ben ist. Sind die Abgasregelklappe 34 und die Ansaugregel klappe 36 geöffnet, wird auch der Turbolader 32 betrieben, so daß der Doppel-Turboladerbetrieb gegeben ist, wobei bei de Lader 31 und 32 tätig sind. Die Fig. 12 zeigt außerdem einen Beruhigungsbehälter 37, einen Überdruck-Haltetank 38, einen Abgassammler 39, einen Sauerstoffühler 40 und kataly tische Wandler 41 sowie 42. Die Abgasregelklappe 34 kann sehr hohen Temperaturen des Abgases oberhalb von 1000°C aus gesetzt werden.

Im folgenden wird die Funktionsweise der ersten Ausführungs form gemäß dieser Erfindung erläutert.

Da die Dichtung 3, die die gekröpften Ringstücke 23 besitzt, in der Tragkonstruktion der keramischen Drosselklappenanord nung verwendet wird, wirkt ein geeigneter Abdichtdruck oder eine geeignete Abdichtkraft zwischen den gekröpften Ringstük ken 23 und den gegenüberliegenden Flächen, so daß das Keramik gehäuse 10 nicht beschädigt oder zerbrochen und eine konstan te Abdichtkraft gewährleistet wird.

Wenn die Abgasregelklappe 34 geöffnet und die keramische Klappenanordnung Abgas von hoher Temperatur ausgesetzt wird, neigt ein axialer Zwischen- oder Spielraum dazu, aufgrund des Wärmedehnungsunterschiedes zwischen dem Metallrohr 2 und dem Keramikgehäuse 10 größer zu werden. Jedoch wird der an wachsende Zwischenraum durch eine axiale Wärmedehnung der Dichtung 3, die einen größeren linearen Wärmedehnungskoef fizienten als das Metallrohr 2 hat, aufgenommen, so daß der Zwischenraum nicht größer wird und die Abdichtkraft nicht vermindert wird. Als Ergebnis wird ein Spiel nicht hervorge rufen und eine konstante, sichere Abdichtung aufrechter halten.

Weil darüber hinaus die keramische Klappenanordnung 4 in der Vertiefung 9 des Metallrohrs 2 aufgenommen und nach außen hin von den Metallteilen 1 und 2 umschlossen ist, schlagen hochgeschleuderte Steine nicht direkt gegen die keramischen Bauteile, so daß diese nicht aufgrund des Anpralls einem Bruch unterliegen.

Da des weiteren eine Änderung in den Abständen zwischen dem Gehäuse 10 sowie der Klappe 12 und zwischen der Welle 11 so wie den Lagerbohrungen 14 sehr klein ist, weil diese Bauteile aus Keramikmaterial mit einem relativ niedrigen linearen Wärmedehnungskoeffizienten gefertigt sind, können die Zwi schenräume sehr klein festgesetzt werden. Als Ergebnis wird eine Gasleckage vermindert und ein hohes Übergangsverhalten der Maschine erlangt.

Die Fig. 14 zeigt eine Verbesserung des Übergangsansprech verhaltens der Brennkraftmaschine mit einem Turboladersystem, wie das in Fig. 12 gezeigt ist. Ein Anstieg im Drehmoment und im Ladedruck gegenüber der Zeit, wenn die Drosselklappe geöffnet ist, ist in Fig. 14 gezeigt. Die gestrichelte Li nie stellt den herkömmlichen Fall einer metallischen Klap penanordnung dar, während die ausgezogene Linie den Fall der keramischen Klappenanordnung zeigt. Der Fig. 14 ist zu entnehmen, daß die keramische Klappenanordnung die Anlaufcha rakteristik der Maschine verbessert, wenn lediglich der er ste Turbolader 31 betrieben wird, weil die Menge eines Abgas anteils, der in die Abgasleitung 33 des zweiten Turboladers 32 entweicht, aufgrund der oben beschriebenen kleinen Zwi schenräume gering ist.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 15-18 die zwei te Ausführungsform gemäß der Erfindung erläutert. Bei dieser Ausführungsform hat die keramische Welle 11, wie in Fig. 17 gezeigt ist, an einem in Längsrichtung mittigen Abschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite der Welle 11 eine Einsenkung 11a, während die keramische Drosselklappe 12 oval ist und eine in ihrer diametralen Richtung verlaufende Auskehlung 12a besitzt, die eine ebene, vertiefte Bodenfläche aufweist. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, werden die keramische Welle 11 und die Keramikklappe 12 vereinigt, indem die Einsenkung 11a und die Bodenfläche der Auskehlung 12a aneinander zur Anlage gebracht werden. Für die einstückige Verbindung wird ein Silizium plättchen zwischen die Einsenkung 11a der Welle 11 und die vertiefte Bodenfläche der Auskehlung 12a eingesetzt, worauf die Keramikwelle 11, die Keramikplatte 12 und das Silizium plättchen unter einem Vakuumzustand auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Siliziums erhitzt werden, so daß die Welle 11 und die Klappe 12 zu einem Stück verbunden werden.

Das Siliziumplättchen hat bevorzugterweise eine Reinheit von mehr als 99,9%. Alternativ kann das Siliziumplättchen durch einen Siliziumüberzug oder eine Siliziumschicht ersetzt wer den. Im einzelnen können Siliziumpulver und ein organisches Lösungsmittel zu einer Paste vermischt werden, die an wenig stens einer Fläche der Einsenkung 11a bzw. der Auskehlung 12a aufgetragen wird. Die Heiztemperatur wird auf eine sol che oberhalb 1410°C, was der Schmelzpunkt von Silizium ist, und unterhalb 1550°C, bei welcher eine Temperaturzersetzung von gesintertem Siliziumnitrid einsetzt, und vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 1430°C bis 1500°C einge stellt. Ferner wird die Umgebungsbedingung mit einem Vakuum von einem Druck unter 1 × 10^-1 mm Hg (133,32 × 10^-1 Pa) ge wählt, und vorzugsweise wird der Partialdruck von Sauerstoff auf einen Druck unter 1 × 10^-2 mm Hg (133,32 × 10^-2 Pa) fest gesetzt sowie Luft durch Argon (Ar) ersetzt.

Bei der Klappenanordnung der zweiten erfindungsgemäßen Aus führungsform wird ein Verhältnis eines Unterschiedes (D-d) zwischen einem Innendurchmesser (D) des Keramikgehäu ses 10 und einem Außendurchmesser (d) der Keramikklappe 12, gemessen in einer zur Achse des Keramikgehäuses 10 rechtwink ligen Ebene, wenn die Klappe geschlossen ist, zum Außendurch messer der Keramikklappe 12, gemessen in einer zur Achse des Keramikgehäuses rechtwinkligen Ebene, in einem Bereich von 0,03% bis 3% und bevorzugterweise in einem Bereich von 0,03% bis 2% liegend festgesetzt. Das erfolgt deswegen, weil, wenn das Verhältnis unter 0,02% ist, ein Wärmedeh nungsunterschied kaum zu absorbieren ist, und wenn das Ver hältnis größer als 3% ist, eine Gasleckage durch das Ven til, wenn die Klappe geschlossen ist, untalerierbar erhöht wird.

Ferner wird das Verhältnis eines Unterschiedes (D′-d′) zwi schen einem Innendurchmesser (D′) der Wellenlagerbohrung 14, die im Keramikgehäuse 10 ausgebildet ist, und einem Außen durchmesser (d′) der Keramikwelle 11 zum Außendurchmesser (d′) der keramischen Welle 11 in einem Bereich von 0,05% bis 5% und vorzugsweise in einem Bereich von 0,05% bis 2% liegend festgesetzt. Das erfolgt deswegen, weil, wenn das Verhältnis kleiner als 0,05% ist, der Wärmedehnungsun terschied nicht absorbiert und ein Festsitzen der Klappe auftreten wird, und wenn das Verhältnis größer als 5% ist, wird eine Gasleckage zur Atmosphäre durch einen Zwischenraum zwischen der Welle sowie dem Gehäuse untolerierbar vergrö ßert, was ebenfalls für ein Spiel der Klappe mit Bezug zum Gehäuse gilt.

Zum Zweck der Bewertung der keramischen Drosselklappenanord nung der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wurden die folgenden Klappenanordnungen hergestellt. Pulver aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) und eines ein Sintern begünstigenden Materials, wie Yttriumoxid (Y₂O₃), wurden gemischt und zu ge sinterten Siliziumnitrid-Prüfstücken des Keramikgehäuses mit einem Innendurchmesser von 50 mm, einer Mehrzahl von kerami schen Wellen mit unterschiedlichen Außendurchmessern und einer Mehrzahl von Keramikklappen mit unterschiedlichen Durchmessern gebrannt. Die keramischen Wellen und die Kera mikklappen wurden durch Einfügen eines Siliziumplättchens zwischen diese beiden und anschließendes Erhitzen der Anord nung unter einem Vakuum von 1 × 10^-3 mm Hg (133,32 × 10^-3 Pa) bei 1475°C für 30 min verbunden. Die Bauteile wurden zu Klap penanordnungen zusammengebaut.

Die Klappenanordnungen wurden in eine Prüfvorrichtung eines Ottomotors eingesetzt, und Haltbarkeitsprüfungen wurden durchgeführt. Bei diesen Prüfungen wurden die Klappen wieder holt in Abgas von 950°C geöffnet und geschlossen.

Aus diesen Prüfungen hat sich ergeben, daß dann, wenn das Verhältnis (D-d)/D unterhalb 0,02% betrug, eine Drehung der Klappe nicht ruhig und störungsfrei war, und wenn das Verhältnis (D′-d′)/D′ mit einem Wert unter 0,04% festge setzt war, so war die Drehung der Klappenwelle nicht ruhig. Wenn die Verhältnisse anders als oben angegeben festgesetzt wurden, wurde eine Drehung der Klappe und eine Drehung der Klappenwelle ruhig und leichtgängig selbst bei zweihundert tausend Öffnungs- und Schließzyklen aufrechterhalten.

Dann wurden die hergestellten Klappenanordnungen, bei welchen das Verhältnis (D′-d′)/D′ den Wert 0,4% hatte und das Ver hältnis (D-d)/D verändert wurde, über eine Dichtung in ein Rohr eingebaut, das ein Gebläse und einen Gasströmungsmesser verband. Dann wurde Gas mit einem Druck von 1,96 bar (2 kg/cm²) durch das Rohr geschickt und die Klappe im Schließzustand gehalten. Die durch einen Zwischenraum zwi schen dem Gehäuse und der geschlossenen Klappe durchtreten de Gasmenge wurde gemessen. Aus den Versuchsergebnissen wur de gefunden, daß die durch den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der geschlossenen Klappe durchleckende Gasmenge sehr klein war, wenn das Verhältnis (D-d)/D kleiner als 3% war, daß die durchleckende Gasmenge im Fall des Verhältnis ses mit 4% etwa das 1,33fache derjenigen im Fall des Ver hältnisses von 3% war, und daß die durchleckende Gasmenge im Fall des Verhältnisses von 5% etwa das 2fache derjeni gen im Fall des Verhältnisses von 3% war.

Ferner wurden die hergestellten Klappenanordnungen, bei denen das Verhältnis (D-d)/D den Wert 0,4% hatte und das Verhält nis (D′-d′)/D′ verändert wurde, über eine Dichtung in ein Rohr eingebaut, das ein Gebläse und einen Gasströmungsmes ser verband. Hierauf wurde Gas mit einem Druck von 1,96 bar durch das Rohr geschickt und die Klappe in einem geschlosse nen Zustand gehalten. Die durch einen Zwischenraum zwischen der Klappenwelle und der Wellenlagerbohrung durchtretende Gasmenge wurde gemessen. Aus den Versuchsergebnissen wurde gefunden, daß die durch den Zwischenraum zwischen der Klap penwelle und der Wellenlagerbohrung durchleckende Gasmenge sehr klein war, wenn das Verhältnis (D′-d′)/D′ kleiner als 5% war, daß die durchleckende Gasmenge im Fall des Ver hältnisses von 6% etwa das 2,49fache derjenigen im Fall des Verhältnisses von 5% war, und daß die durchleckende Gasmenge im Fall des Verhältnisses von 7% etwa das 4,47fache derjenigen bei dem Verhältnis von 5% war.

Unter Verwendung der keramischen Drosselklappenanordnungen für Versuche wurden dann Abtrennkräfte der Klappen-Wellen- Anordnungen nach Durchführung von thermischen Zyklen bewer tet. Bei diesen Versuchen wurden die keramischen Wellen gelagert und die Keramikklappen in einer von den Wellen weg verlaufenden Richtung druckbelastet, und die Belastungen, wenn die keramischen Platten von den Wellen gelöst wurden, wurden gemessen.

In dem Fall, da die Klappen-Wellen-Anordnungen zwischen -40°C und 300°C erhitzt und gekühlt wurden, war die mittlere Abtrennkraft nach 100 Thermozyklen 995,30 N (101,5 kgf) und be trug die mittlere Abtrennkraft nach 200 Thermozyklen 1055,12 N (107,6 kgf), während die Abtrennkraft vor den Ther mozyklen 1011,97 N (103,2 kgf) betrug. In dem Fall, da die Klappen-Wellen-Anordnungen zwischen 100°C und 950°C erhitzt und gekühlt wurden, betrug die mittlere Abtrennkraft nach 1000 Thermozyklen 1115,92 N (113,8 kgf) und die mittlere Ab trennkraft nach 2500 Thermozyklen 1065,91 N (108,7 kgf), wäh rend die Abtrennkraft vor den Thermozyklen 1011,97 N (103,2 kgf) betrug. Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß die Abtrennfestigkeit in keiner Weise vermindert wurde.

Ferner betrug in dem Fall, da die Klappen-Wellen-Anordnungen für 1000 h in einem Gas von 950°C belassen wurden, die mitt lere Abtrennkraft 1032,57 N (105,3 kgf), während die mittlere Abtrennkraft vor den Haltbarkeitsprüfungen 1011,97 N (103,2 kgf) betrug. Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß die Abtrennkraft in keiner Weise vermindert wurde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Vor teile erlangt:

Weil erstens der aufgrund des Wärmedehnungsunterschiedes zwischen den Metallrohren und dem Keramikgehäuse hervorgeru fene Zwischenraum durch die Wärmedehnung der Dichtungen ab sorbiert oder aufgenommen wird, wird die Abdichtkraft auf rechterhalten und kein Spiel erzeugt.

Weil zweitens die keramische Drosselklappenanordnung von den Metallrohren umschlossen ist, wird ein Brechen der kerami schen Klappenanordnung aufgrund des Anprallens von hochge schleuderten Steinen verhindert.

Weil drittens ein Zwischenraum zwischen der Klappe sowie dem Gehäuse und ein Zwischenraum zwischen der Klappenwelle sowie der Wellenlagerbohrung in jeweils vorbestimmten Bereichen festgesetzt werden, kann eine Gasleckage an der Klappe unter drückt werden.

Weil viertens die Klappe und die Klappenwelle an der Einsen kung sowie der vertieften Bodenfläche der Auskehlung stoßend miteinander verbunden werden, kann die Dimension in der Nach barschaft der Achse der Klappenanordnung klein sein und wird die Querschnittsfläche des Gasströmungskanals groß beibe halten.

Aufgrund der geringen Gasleckage und des großen Querschnitts des Strömungskanals wird letztlich das Übergangsansprechver halten verbessert, wenn die Konstruktion auf eine Abgasregel klappe Anwendung findet, die in eine Abgasleitung einer mit einem Turbolader ausgestatteten Brennkraftmaschine ein gebaut wird.

Eine keramische Drosselklappenanordnung gemäß der Erfindung wird in einer in einem Metallrohr ausgebildeten Vertiefung aufgenommen und mittels Dichtungen von zwei Metallrohren gelagert. Jede Dichtung hat einen größeren linearen Wärme ausdehnungskoeffizienten als das Metallrohr. Ein aufgrund des Wärmedehnungsunterschiedes zwischen dem Metallrohr und dem Keramikgehäuse erzeugter Zwischenraum wird durch die große Wärmeausdehnung der Dichtung aufgenommen, so daß kein Spiel zwischen der keramischen Drosselklappenanordnung so wie dem Metallrohr hervorgerufen und die Abdichtkraft auf rechterhalten wird. Jede Dichtung hat gekröpfte Ringstücke aus Federmaterial. Eine übermäßig große Belastung wirkt nicht auf die keramische Drosselklappenanordnung, weil die Ringstücke verformt werden, um die Belastung zu absorbieren.

Bezugszeichenliste

1 Metallrohr, Doppelrohr
1A Rohrstück
1B Rohrstück
2 Metallrohr, Doppelrohr
2A Rohrstück
2B Rohrstück
3 Dichtungen
4 keramische Drosselklappenanordnung
5 Stellantrieb
6 Dichtung in der Kehle 20
7 Flansch an dem Metallrohr 1
8 Flansch an dem Metallrohr 2
9 Ausnehmung, Vertiefung
9A Absatz
10 Keramikgehäuse
11 keramische Welle
11a Einsenkung
12 Keramikplatte, -klappe
12a Auskehlung
13 Bohrung
14 Wellenlagerbohrungen
15 Metallmanschette
16 Metallhebel
17 Stirnfläche des Keramikgehäuses 10
18 Stirnfläche des Flansches 8
19 Stirnfläche des Keramikgehäuses 10
20 Kehle
21 ringförmige Platte
22 ringförmige Platte
23 gekröpfte Ringstücke
23A 1. Abschnitt
23B 2. Abschnitt
23C 3. gekröpfter Abschnitt
24 Dichtungs- oder Spannring
25 Dichtungs- oder Spannring
26 Graphitplatten
27 gewellte Platten aus rostfreiem Stahl
28 Dichtungs- oder Spannring
29 Dichtungs- oder Spannring
30 Brennkraftmaschine
31 Turbolader; Ein-Laderbetrieb
32 Turbolader; Zwei-Laderbetrieb
33 Abgasleitung
34 Abgas-Regelklappe
35 Ansaugleitung
36 Ansaug-Regelklappe
37 Beruhigungsbehälter
38 Überdruck-Haltetank
39 Abgassammler
40 Sauerstoffühler
41 katalytischer Wandler
42 katalytischer Wandler
D Innendurchmesser des Keramikgehäuses 10
D′ Innendurchmesser der Wellenlagerbohrungen 14
d Außendurchmesser der Auskehlung 12
d′ Außendurchmesser der keramischen Welle 11

Claims

1. Tragkonstruktion einer keramischen Drosselklappenan ordnung, die umfaßt:

(a) zwei Metallrohre (1, 2), die Flansche (7, 8) besit zen sowie an diesen Flanschen untereinander verbunden sind, wobei eines (2) der beiden Rohre (1, 2) an einem radial inneren Teil des Flansches eine Vertiefung (9) mit einem Absatz (9A) an einem axialen Ende von die ser aufweist,
(b) eine keramische Drosselklappenanordnung (4), welche enthält:
- - ein Keramikgehäuse (10) mit einer im wesentlichen zylindrischen Wand, die eine erste Bohrung (13) um schließt sowie zwei in ihr ausgebildete Wellenlagerboh rungen (14) besitzt, die jeweils im wesentlichen recht winklig zu einer Längsachse des Keramikgehäuses (10) verlaufen,
- - eine keramische Welle (11), deren entgegengesetzte Enden drehbar in den Wellenlagerbohrungen (14) aufge nommen sind, sowie
- - eine keramische Drosselklappe (12), die fest mit der keramischen Welle (11) verbunden und mit dieser in der ersten Bohrung (13) drehbar ist, und
(c) eine erste Dichtung (3), die zwischen dem Keramik gehäuse (10) sowie dem Absatz (9A) der Vertiefung (9) angeordnet ist, und eine zweite Dichtung (3), die zwi schen dem Keramikgehäuse (10) sowie dem Flansch (7) des anderen (1) der beiden Rohre (1, 2) angeordnet ist, wo bei jede dieser Dichtungen (3) einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als die beiden Metallrohre (1, 2) hat.

2. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Drosselklappenanordnung (4) in der im einen (2) der beiden Rohre (1, 2) ausgebildeten Ver tiefung (9) aufgenommen und außenseitig von den zwei Metallrohren (1, 2), wenn diese miteinander verbunden sind, umschlossen ist.

3. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, die ferner umfaßt:

(a) eine an dem einen Ende der keramischen Welle (11) befestigte Metallmanschette (15),
(b) einen mit der Manschette verbundenen Metallhebel (16) und
(c) einen mit dem Metallhebel in Wirkverbindung stehen den Stellantrieb (5), der mittels des Metallhebels (16) sowie der Metallmanschette (15) die keramische Drossel klappe (12) um die Achse der keramischen Welle (11) dreht.

4. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dichtungen (3) umfaßt:

(a) wenigstens eine aus rostfreiem Stahl gefertigte ring förmige Platte (21, 22),
(b) eine Mehrzahl von aus Federmetall gefertigten sowie an axial entgegengesetzten Seiten der ringförmigen Plat te (21, 22) angeordneten gekröpften Ringstücken (23) und
(c) eine Mehrzahl von aus rostfreiem Stahl gefertigten Spannringen (24, 25), die an inneren sowie äußeren Ab schnitten der wenigstens einen ringförmigen Platte (21, 22) angeordnet sind, wobei jeder Spannring (24, 25) die wenigstens eine ringförmige Platte und ein zugeordnetes gekröpftes Ringstück (23) zusammenklemmt.

5. Tragkonstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ringförmige Platten (21, 22) aus rostfreiem Stahl vorhanden und diese beiden ringförmigen Platten durch die Spannringe (24, 25) zusammengeklemmt sind.

6. Tragkonstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der gekröpften Ringstücke (23) einen ersten, die ringförmige Platte (21, 22) berührenden Abschnitt (23A), einen zweiten, von der ringförmigen Platte (21, 22) beabstandeten Abschnitt (23B) sowie einen dritten Abschnitt (23C), der den ersten und den zweiten Abschnitt verbindet, besitzt, wobei der zweite Abschnitt (23B), wenn die Dichtungen (3) zwischen der keramischen Drossel klappenanordnung (4) und den Metallrohren (1, 2) zusammen gepreßt werden, einem Druck zu der wenigstens einen ring förmigen Platte (21, 22) hin ausgesetzt wird.

7. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, die in eine an einen Turbolader (32) einer Brennkraftmaschine (30) angeschlos sene Abgasleitung (33) eingebaut ist, wobei die Brenn kraftmaschine ein Doppel-Turboladersystem einschließt und die Drosselklappenanordnung der Tragkonstruktion die Ab gasleitung (33) öffnet sowie schließt.

8. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Drosselklappe (12) eine ovale Gestalt hat sowie eine Umfangsfläche besitzt, die sich zu einer Innenfläche des Keramikgehäuses (10) hin und von dieser weg bewegt, um die Drosselklappe (12) zu schließen und zu öffnen.

9. Tragkonstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis eines Unterschiedes zwischen einem Innendurchmesser des Keramikgehäuses (10) und einem Außendurchmesser der keramischen Drosselklappe (12), gemessen in einer zur Achse des Keramikgehäuses (10) rechtwinkligen Ebene, wenn die Drosselklappe geschlossen ist, zu dem Außendurchmesser der keramischen Drosselklap pe (12), gemessen in einer zur Achse des Keramikgehäuses (10) rechtwinkligen Ebene, als in einem Bereich von 0,03% bis 3% liegend festgesetzt ist.

10. Tragkonstruktion nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis als in einem Bereich von 0,03% bis 2% liegend festgesetzt ist.

11. Tragkonstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis eines Unterschiedes zwischen einem Innendurchmesser der Wellenlagerbohrung (14) und einem Außendurchmesser der keramischen Welle (11) zum Außen durchmesser der keramischen Welle (11) als in einem Be reich von 0,05% bis 5% liegend festgesetzt ist.

12. Tragkonstruktion nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis als in einem Bereich von 0,05% bis 2% liegend festgesetzt ist.

13. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Welle (11) an einem in ihrer Längser streckung mittigen Abschnitt mit einer Einsenkung (11a) versehen ist, daß die keramische Drosselklappe (12) eine in diametraler Richtung verlaufende Auskehlung (12a) mit einer ebenen, vertieften Bodenfläche besitzt und daß die keramische Welle sowie die keramische Drosselklappe zu einer Einheit vereinigt sind, wobei die Einsenkung (11a) der Welle (11) und die vertiefte Bodenfläche in der Dros selklappe (12) aneinanderstoßen.

14. Tragkonstruktion nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Welle (11) und die keramische Drossel klappe (12) durch Einfügen eines Siliziumplättchens zwi schen die Einsenkung (11a) der Welle (11) sowie die ver tiefte Bodenfläche in der Drosselklappe (12) und Erhitzen der Welle, der Drosselklappe sowie des Siliziumplättchens auf eine über einem Schmelzpunkt des Siliziumplättchens liegende Temperatur vereinigt werden.

15. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikgehäuse (10), die keramische Welle (11) und die keramische Drosselklappe (12) aus gesintertem Siliziumnitrid gefertigt sind.