CN104847905A - 热气阀,尤其是egr阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热气阀(10)，尤其是EGR阀，具有壳体(12)，其内形成具有入口(63)和出口(64)的气体管道(20)；还具有阀装置(22)，以控制通过气体管道(20)的流体流动；壳体(12)有至少一条冷却管道(40)，以流体冷却壳体(12)；气体管道(20)相对于壳体(12)通过热屏蔽件(52)被屏蔽，热屏蔽件由比组成壳体(12)的材料有更好热稳定性的材料组成；阀装置(22)有位于气体管道(20)中的封闭体(24)，它被通过至少一个轴承(44；48)装在壳体(12)中的阀轴(42)支撑。根据本发明的设置：轴承(44；48)由有良好导热系数的材料组成；阀轴(42)在轴承(44；48)背对气体管道(20)侧被弹性体轴密封圈(46；50)密封。

Description

热气阀,尤其是EGR阀
技术领域
本发明涉及一种热气阀，它具有壳体，在壳体内形成有具有入口和出口的气体管道；它还具有阀装置，用于控制通过气体管道的流体流动。该热气阀可以是废气阀，尤其是废气再循环阀，以下称为“EGR阀”。
背景技术
根据DE 10 2007 000 217 A1以及US 2007/0095334A1可以知道这种热气阀。这些是EGR阀，其具有壳体，在壳体中形成有具有入口和出口的气体管道；它还具有被构造成阀瓣的阀装置，用来控制通过气体管道的流体流动。壳体具有用来对壳体进行流体冷却的冷却管道。气体管道相对于壳体被热屏蔽件屏蔽起来，该热屏蔽件由比壳体组成材料具有更好热稳定性的材料组成。阀装置具有位于气体管道中的封闭体，其被保持在通过轴承能转动地安装在壳体中的阀轴上。在根据DE 10 2007 000 217 A1了解到的热气阀中，壳体为铝压铸产品，屏蔽件由壳体保护元件形成，被指定为管口，用来保护壳体中限定流体管道的壁表面。该热气阀旨在适用于超过500°温度的废气。壳体保护元件由耐热材料组成，例如高级钢或耐热钢。轴承由金属衬套构成，对此不用再进一步说明，或者由烧结含油轴承构成。
尽管有相对于壳体设置的气体管道的热屏蔽，在超过500°高流体温度的情况下，经常发生进入壳体的不能被接受的高热引入，从而使得尤其是被布置在壳体中或直接靠近壳体的并包含电气与电子部件的阀轴的驱动装置被暴露在不能接受的高温中。
从WO 2008/144686 A1中获知一种基本相似的热气阀，它不具有对壳体进行流体冷却的冷却管道，阀轴通过含有青铜和特氟龙(teflon)的金属环或滚珠轴承而被安装在壳体内。
发明内容
本发明所基于的目的是对所介绍的类型的一种热气阀进行改进。
该目的能通过具有权利要求1所述的特征的热气阀达到。本发明进一步有益的发展为从属权利要求的主题。
依据本发明的热气阀具有壳体，在壳体内形成有具有入口和出口的气体管道。另外，该热气阀还具有用于控制通过气体管道的流体流动的阀装置。壳体有至少一条冷却管道用于流体冷却壳体。气体管道相对于壳体通过热屏蔽件来屏蔽。该屏蔽件由比壳体组成材料具有更好热稳定性的材料组成。阀装置具有位于气体管道中的封闭体，该封闭体被保持在通过至少一个轴承安装在壳体中的阀轴上。该封闭体可被构造成阀瓣。阀轴可以横向地延伸通过气体管道。阀轴可以能转动地安装在壳体中。阀轴在轴承背对气体管道侧被弹性体轴密封圈所密封。轴承由具有良好导热系数的材料组成。轴承的导热系数好，从而使得由位于气体管道中的热气引入到阀轴中的热以不损坏轴密封圈的弹性体材料的方式通过轴承被消散到壳体和冷却管道中。组成轴承的材料具有大于120W/(m·K)的导热系数，尤其至少为140W/(m·K)。
本发明具有如下重要优点：
·即使提供用于高于500℃的高温应用，尤其是适用于高达700℃的废气高温，热气阀也可被优化从而使得其壳体和其驱动单元被暴露在尽可能低的温度中。
·大大提高了从阀轴到冷却管道的热消散。
·由弹性体组成的轴密封圈仅适用于最高温度约200℃的“冷应用”。因此，迄今为止，它们在热气阀中的使用是不可能的，因为，在那里要有高得多的温度。本发明提供了一种热气阀，在该热气阀中，轴承背对气体管道侧的温度可以降低至能将只适用于“冷应用”的轴密封圈用于相对于壳体密封阀轴的程度。
·在从气体管道到轴密封圈相对短的距离，本发明能够将温度从在气体管道中流动的气体的700℃降低至在轴密封圈处的不超过200℃。
·弹性体轴密封圈带来了特别好的阀轴密封。通过本发明可以大大降低不希望出现的从气体管道进入到引擎舱的废气泄露。迄今为止，在传统类型的热气阀中不能够实现这样低的外部泄露。
·可以明显降低阀轴通向驱动装置的部分的温度。因此，可以大大降低进入到驱动单元中的热。因此，保护驱动装置的电气及电子部件不受过高温度的损坏，降低了它们失效的风险。因此，提高了热气阀的可靠性。
·气体管道相对于壳体的热屏蔽件由耐热材料制成，其连同壳体的流体冷却，这可以允许壳体本身不必由如此好的热稳定性材料制成。因此，壳体可以由轻质金属合金组成，尤其是铝合金，并可以通过例如压铸的方式制成。由此，使得依照本发明的热气阀可以毫无费力地制成。可以保证简单、成本高效的生产以及高精度。
由具有良好导热系数的材料组成的轴承可以包括石墨、陶瓷或铜。石墨由粉末压制而成，这种石墨是均质的并也被称为“人工石墨”，它可以适合作为石墨材料。在20℃至400℃的温度范围内具有120W/(m·K)至200W/(m·K)的导热系数以及3.6·10-61/K to 4.1·10-61/K的热膨胀系数的碳化硅陶瓷例如可适合作为陶瓷材料。
轴密封圈可以由合成的弹性体组成，尤其是合成橡胶，例如EPDM。在本发明的实施例中，阀轴通过热隔绝材料(优选聚酰亚胺，polyimide)的轴套可以相对于轴密封圈热隔绝。因此，可以进一步降低轴密封圈的温度载荷。于是，轴密封圈不再需要与阀轴的表面直接接触，而是可以围绕被布置阀轴上的轴套。在700℃的废气温度下，可以实现与轴密封圈接触的轴套的表面温度低于200℃，这对于由EPDM组成的轴密封圈来说永远是不重要的。
在本发明进一步的实施例中，冷却管道在壳体中在轴承的区域中延伸，尤其是冷却管道至少部分围绕着轴承。这样，可以用特别好的方式将热流从阀轴经过轴承和壳体引导到冷却管道上，在冷却管道通过那里循环的冷却剂将热消散掉。由此，进一步降低阀轴、轴承以及其后的轴密封圈的温度。当轴承通过压配的方式被容纳在壳体中时，可以进一步提高从阀轴到流动在冷却管道中的冷却剂的热消散。
在本发明一个实施例中，阀轴和/或封闭体可以由导热系数差的材料组成，尤其是钢。钢可以是包括镍和/或铬的钢，例如具有材料号1.4841的钢。这样，进一步降低通过阀轴到壳体以及到驱动装置的热传导。
在进一步的实施例中，轴承的组成材料可以比阀轴的组成材料具有更低的热膨胀系数。因此，在工作的过程中随着温度的升高，减小轴承与阀轴之间导致间隙泄露的轴承间隙。阀轴与轴承的温度提升得越高，轴承间隙就变得越小。因此，一方面增加了从阀轴到轴承的热传导，以至于热可以更好地从阀轴上消散。另一方面，通过轴承间隙的泄露被大大的减少了。因此，减少了通过轴承间隙可以到达轴密封圈的热气的量。这使得进一步减少了轴密封圈的温度载荷。
本发明进一步的实施例中，阀轴可以通过轴承在壳体中分别在气体管道的两侧被安装。由此，可以实现简单且可靠的构造。尤其在本实施例中，位于两个轴承的区域中的冷却管道可以通过溢流管彼此连接起来。这就使得结构简单，而且能够通过共用冷却剂流来实现两个冷却管道的冷却。冷却管道的入口线可以布置在壳体的容纳有阀的驱动装置的一侧。采用这种方式，敏感的驱动装置被布置在壳体的冷却效果特别好的一侧，冷却剂的进给位于该侧。
在实施例中，屏蔽件可以由围绕气体管道的壁形成。气体管道被壁包围，该壁的材料比壳体的组成材料具有更好的热稳定性。可以由钢组成热屏蔽件，尤其是壁。采用这种方式的结果是使得生产非常简单，而且具有成本效率。气体管道与壳体之间可以提供有至少一个气隙。尤其是，屏蔽件和壳体之间可以提供有至少一个气隙。以这种方式，可以保证在携带热气或废气的气体管道与由例如铝合金组成的壳体之间具有更好的热去耦。围绕气体管道的壁可以延伸通过壳体的开口，尤其是通过壳体的通道。通过至少一个气隙，气体管道或相应地作为屏蔽件的壁相对于壳体热隔绝。据此，明显降低从热气管道到壳体的热传导。
气体管道的壁可以被容纳在通道的优选中央接触区域，其中靠近接触区域的壁，其中由环形间隙围绕紧接着接触区的壁，优选地在两侧。环形间隙可以与圆筒状的壁以及与气体管道同轴布置。采用这种方式，更进一步地降低了从热气管道到壳体的热传导。
在气体管道的两侧，在且毗邻气体管道的区域，可以分别提供冷却管道。采用这种方式，可以通过冷却管道直接消散从热气管道到壳体传导的热。
阀轴可以在位于封闭体与轴承之间的区段被轴套围绕。轴套可以在阀轴穿过气体管道的壁的部分围绕阀轴。在轴套的区段，在阀轴与轴套之间可以布置气隙，尤其是环形间隙。轴套紧靠封闭体。该轴套作为阀轴相对于在气体管道中流动的热气的屏蔽件，通过该轴套的存在，热气不会再与阀轴直接接触。据此，该轴套保证从废气到阀轴的较小的热传导。轴套可以在其面向轴承的端具有沿着轴套的圆周方向延伸的法兰状(flange-shaped)的突起或轴瓦。该轴瓦用作迷宫(labyrinth)密封以及偏转热气，使其在阀轴的轴方向进入通过轴套与气体管道的壁之间的间隙中，在径向方向上，使得其不会直接撞击到轴承上。
在气体管道的入口和出口，通过热隔绝材料(尤其是云母(mica)或层状硅酸盐(phyllosilicate))的密封件，可以分别提供法兰连接。因此，也可以进一步降低热传导。
应当明白，上面提及的以及下面将进一步解释的本发明的特征不仅能够用于相应指出的组合，而且也能够用于其他组合，或者单独应用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
根据结合附图对优选示例实施例的如下描述，说明本发明的其他优点和特征，其中，相同的参考标号指代相同的部件。图种示出了：
图1根据本发明的(以EEGR瓣阀形式的)热气阀的整体透视图；
图2穿过根据图1的热气阀的纵向剖面图；
图3沿III-III线穿过根据图2的壳体的剖面图；
图4与排气方向横向地穿过壳体的剖面图；以及
图5根据图4的剖面的V处的放大细节。
标号的参考列表：
10-热气阀；12-壳体；14-驱动装置；16-流动方向；18-流动方向；
20-气体管道；22-阀装置；24-封闭体；26-法兰；28-入口连接件；
29-冷却剂流体方向；30-出口连接件；31-冷却剂流体方向；
32-溢流管；34-塞子；35-塞子；36-螺钉；38-联轴器；40-冷却管道；
42-阀轴；44-轴承；46-轴密封圈；47-轴套；48-轴承；50-轴密封圈；
51-轴套；52-壁；53-环形间隙；54-环形间隙；55-接触区域；
56-轴套；57-环形间隙；58-轴套；59-环形间隙；60-法兰密封；
61-法兰密封；62-气隙；63-入口；64-出口。
具体实施方式
在图1，根据本发明的热气阀以透视方式被示出，并作为整体以标号10被指定。该热气阀10为废气阀，即ERG阀，其被构造为EEGR阀(电气操作的废气再循环阀)。
热气阀10具有壳体12，在壳体12的上端接纳有电动或电磁的驱动装置14。在壳体12较低的区域形成有气体管道20，它在入口侧能够通过法兰26连接到废气管，并在相对侧能够同样地通过法兰连接到废气再循环。箭头16、18指出了废气的流动方向。作为整体由标号22指定的阀装置被构造为瓣阀，它具有瓣式的封闭体24，位于气体管道20中。该封闭体24被保持在阀轴42上，以控制气体通过气体管道20的通道，阀轴42借助于驱动装置14是可转动的。
冷却管道位于气体管道20与驱动装置14之间的区域，该冷却管道具有入口连接件28，冷却剂可以沿着箭头29的方向被馈给该入口连接件28。在气体管道20的另一侧，也就是说，在气体管道20背离驱动装置的一侧，同样地设置有用于冷却壳体12的冷却管道，在该冷却管道提供有出口连接件30，以便冷却剂根据箭头31的方向回流。通过溢流管32将上部区域和下部区域中的冷却彼此连通起来，这样，通过在入口连接件28和在出口连接件30的单个冷却水连接，可以在气体管道20的两侧进行壳体12的冷却。在这种情况下，入口连接件28优选位于气体管道20与驱动装置14之间的区域，以便在该区域能够有特别强的冷却，使得驱动装置14可以有利地被接纳在塑料的壳体中。
壳体12优选由轻金属合金组成，尤其是铝合金，并可以采用例如压力铸造的方式来制作壳体12。通过特殊的构造可以保证，尽管有废气流动所带来的高热载荷，但由例如铝合金组成的壳体12也是足够热稳定性的，另外，驱动装置仅暴露在较小的热载荷中。因此，例如接纳在驱动装置14中的致动器或伺服马达不会热过载；此外，驱动装置14的壳体可以有利地由塑料组成。
在下面进一步详细地描述对壳体12进行热缓解以及对驱动装置14进行热去耦的各种措施。
根据图2，阀轴42通过轴承44或分别地48在壳体12内分别在气体管道20的两侧被安装。由铝合金组成的冷却管道40设置于壳体中12，紧邻相应的轴承44、48，相应的轴承44、48分别被冷却管道部分围绕。轴承44、48优选由石墨组成，因此有助于从阀轴42直接到冷却管道40的有效散热。
可以从图3进一步详细地看到，冷却管道40以U形的方式围绕相关的轴承44，其中，在一侧连接冷却水的出口连接件30，在另一侧连接溢流管32连接，该溢流管32用于连接位于壳体另一侧、面向驱动装置14的冷却管道40。在通过压铸制造壳体12期间，可以使用型芯制造冷却管道40。冷却管道40中的余下开口根据图3优选分别采用塞子35来封闭，或根据图1在其它的冷却管道中分别采用塞子34。
从图2中可以进一步看到，气体管道20延伸横向穿过壳体12的开口，并被圆筒状的钢壁52围绕。壁52延伸通过在壳体12中的通道，并形成用于防止位于气体管道20中的热废气直接与壳体12接触的屏蔽件。该壁52从入口63连续延伸直到出口64。该圆筒状的壁52具有中央环形的接触区域55，在该处，其固定在壳体开口。环形间隙53或分别地54在接触区域55的两侧延伸，从而相对于壳体12形成了良好的热隔离。由钢组成的壁52作为相对于壳体12的热屏蔽件。
从图2中可以进一步看到，瓣式的封闭体24是如何固定在阀轴42上的。封闭体24在中央区域以及在两个边缘区域被固定在阀轴42上。间隙62在其间延伸，如从根据图5的放大示图可以清晰地看到的那样，间隙62作为环形间隙围绕阀轴42。这就减小了阀轴42与封闭体24之间的接触面，从而降低了从暴露在沿箭头16、18方向流经气体管道20的热废气中的瓣到阀轴42的热传导。以这种方式，特别地，到通过联轴器38与阀轴42连接的驱动装置14的热传导被降低了。
在阀轴42穿过气体管道20的壁52的相应引入的区域，阀轴42分别被位于阀轴42上的轴套56或分别地58所围绕。可以从根据图5的放大示图更清晰地看到，窄间隙位于轴套58与壁52或分别地壳体12之间，它使得阀轴42能够旋转运动。轴套58由钢组成。它在其面向轴承48的端具有沿轴套58圆周方向延伸的法兰状延伸部或轴瓦，该轴瓦或法兰状延伸部用作迷宫密封以及偏转气体流，气体流沿轴向方向进入通过轴套58与壁52之间的间隙，在径向方向上离开轴承48并朝向外壳12，从而防止轴承48与热废气的直接接触。轴套58在其面对封闭体24的一端紧靠封闭体24，以防止阀轴42与热废气的直接接触。轴套56以与轴套58相同的方式被构造和布置。环形间隙57或分别地59位于轴套56、58与阀轴42之间。通过这些间隙57、59，从热气到阀轴42的热传导被进一步降低。
在由石墨组成的轴承44、48背对气体管道20的一侧，布置有密封圈46或分别地50。在阀轴42上分别布置轴套47或分别地51，其将阀轴42与相应的密封圈46、50热隔绝。轴套47或分别地51优选由热隔绝材料组成，例如聚酰亚胺，因此有助于密封圈46、50和阀轴的热分离。用法兰状延伸部或轴瓦构造的轴套47、51用作相对于来自于气体管道20的废气的迷宫密封，并防止通过阀轴42与轴承44、48之间的间隙到达的废气与相应轴密封圈46、50的直接路径接触。如果压配在壳体12上的轴承44、48一旦松动，轴套47或51防止相应轴承44或48的轴向位移。
密封圈46、50的区域中出现的温度能够被降低到大约180℃，并是如此低的温度以致不会破坏EPDM的密封圈。因此，通过热气阀1，可以实现极小的外部泄露。
在操作期间，通过增加轴承44、48的区域中的温度，减少在相应阀密封圈46、50的方向上发生在轴承44、48与阀轴42之间的轴承间隙处的泄露，这是因为石墨的轴承44、48的热膨胀系数为大约5·10-61/K，它大大低于钢的阀轴42的热膨胀系数，钢的阀轴42的热膨胀系数在大约17·10-61/K到18·10-61/K(在650℃)范围。因此，在操作期间，随着温度的升高，阀轴42比轴承44、48膨胀的更强烈。温度越高，轴承间隙就越小。
位于气体管道20的入口63和出口64的两个壳体表面以法兰状被构造，并且分别被提供有被配置成环形形状的热隔绝材料(例如云母或层状硅酸盐)的法兰密封60或分别地61。因此，减少从在入口侧拧在法兰26上的废气管到壳体12的热传导。
作为一个整体而言，通过描述的措施，到达壳体的热传导被大大降低了，使得壳体可以由铝合金组成，对热毫无问题。同时，可以减小从壳体和阀轴42到法兰连接在壳体12上的且依照图2通过螺钉36进行固定的驱动装置14的热传导，从而使得驱动装置14可被接纳在塑料壳体中，以及使得电动或电磁驱动装置的敏感部件以及电子部件不会被热损坏。

Claims (19)

1.一种热气阀(10)，尤其是EGR阀，它具有壳体(12)，在壳体(12)内形成有具有入口(63)和出口(64)的气体管道(20)；它还具有阀装置(22)，用于控制通过气体管道(20)的流体流动；
其中，壳体(12)有至少一条冷却管道(40)，用于对壳体(12)进行流体冷却；
其中，冷却管道(20)通过热屏蔽件(52)相对于壳体(12)被屏蔽，该热屏蔽件(52)由比组成壳体(12)的材料具有更好热稳定性的材料组成；
其中，阀装置(22)具有位于气体管道(20)中的封闭体(24)，该封闭体被阀轴(42)支撑，阀轴(42)通过至少一个轴承(44；48)安装在壳体(12)中；
其特征在于，轴承(44；48)由具有良好导热系数的材料组成，以及阀轴(42)在轴承(44；48)背对气体管道(20)侧被弹性体轴密封圈(46；50)密封。
2.根据权利要求1的热气阀，其中，轴承(44；48)由石墨、陶瓷或铜组成。
3.根据权利要求1的热气阀，其中，组成轴承(44；48)的材料具有大于120W/(m·K)的导热系数。
4.根据权利要求1的热气阀，其中，组成轴承(44；48)的材料比组成阀轴(42)的材料具有更低的热膨胀系数。
5.根据权利要求1的热气阀，其中，阀轴(42)和/或封闭体(24)由导热系数差的材料组成，尤其是钢。
6.根据权利要求5的热气阀，其中，阀轴(42)和/或封闭体(24)由包括镍和/或铬的钢组成，例如1.4841号钢。
7.根据权利要求1的热气阀，其中，轴承(44；48)通过压配的方式被容纳在壳体(12)中。
8.根据权利要求1的热气阀，其中，阀轴(42)通过热隔绝材料的轴套(47；51)与轴密封圈(46；50)热隔绝，所述热隔绝材料优选地是聚酰亚胺。
9.根据权利要求1的热气阀，其中，冷却管道(40)在壳体内在轴承(44；48)的区域中延伸。
10.根据权利要求9的热气阀，其中，冷却管道(40)至少部分围绕轴承(44；48)。
11.根据权利要求9或10的热气阀，其中，阀轴(42)通过轴承(44；48)在壳体(12)中分别在气体管道(20)的两侧被安装；以及位于两个轴承(44,48)的区域中的冷却管道(40)通过溢流管(32)彼此相连。
12.根据权利要求11的热气阀，其中，冷却管道(40)的入口管线(28)被布置在壳体(12)的容纳阀(22)的驱动装置(14)的一侧。
13.根据权利要求1的热气阀，其中，在屏蔽件(52)与壳体(12)之间设有至少一个气隙(53；54)。
14.根据权利要求1的热气阀，其中，屏蔽件由围绕气体管道(20)的壁(52)形成，该壁延伸通过壳体(12)内的通道。
15.根据权利要求14的热气阀，其中，气体管道(20)的壁(52)被容纳在所述通道的尤其是中心的接触区域，其中，紧接着该接触区域(55)的壁(52)被环形间隙(53；54)围绕，优选地壁在两侧都被环形间隙(53,54)围绕。
16.根据权利要求1的热气阀，其中，阀轴(42)在位于封闭体(24)与轴承(44；48)之间的区段被轴套(56；58)围绕。
17.根据权利要求16的热气阀，其中，在轴套(56；58)的区段中，在阀轴(42)与轴套(56；58)之间布置气隙(57；59)。
18.根据权利要求1的热气阀，其中，在至少在一个区域在封闭体(24)与阀轴(42)之间设置气隙(62)。
19.根据权利要求1的热气阀，其中，分别在气体管道(20)的入口(63)和出口(64)处，设置具有密封件(60，61)的法兰连接部(26)，该密封件是热隔绝材料的，尤其是云母或层状硅酸盐。
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