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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasklappe für eine Abgasanlage eines
Verbrennungsmotors. Derartige Abgasklappen dienen zum Verschließen des
Abgaskanals einer Abgasanlage. Hierbei kann es erwünscht sein, den gesamten
Querschnitt des Abgaskanals mit der Abgasklappe zu verschließen. Es ist aber
ebensogut möglich, nur einen Teilbereich des Querschnitts des Abgaskanals mit
der Abgasklappe zu verschließen. Weiterhin ist es auch möglich, den Abgaskanal
in mehrere Teilkanäle zu unterteilen und diese Teilkanäle auch parallel zu
schalten. Die erfindungsmässige Abgasklappe ist dann auch dafür geeignet, einen
derartigen Teilkanal ganz oder teilweise zu verschließen, während der parallele
Teilkanal ohne Abgasklappe arbeiten kann. Die Abgasklappen sind üblicherweise
so ausgebildet, dass sie entweder in verschiedenen Stufen oder stufenlos so
geklappt werden können, dass der zunächst verschlossene Querschnitt des
Abgaskanals geöffnet werden kann. Insbesondere ist es möglich, die
Abgasklappe zwischen einer Schließstellung, in welcher der Abgaskanal vollständig
verschlossen ist und einer Öffnungsstellung, in welcher der Abgaskanal vollständig
geöffnet ist, hin und her zu klappen.
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Die erfindungsmässigen Abgasklappen sind sowohl im heißen als auch im kalten
Bereich der Abgasanlage einsetzbar. Ein typisches Einsatzfeld ist die Funktion als
Ventil, beispielsweise zur Steuerung eines Bypasses zur Umgehung eines
Wärmetauschers oder Katalysators. Ein weiteres typisches Einsatzfeld ist das
Verschließen eines Endrohres. Schließlich ist es auch üblich, im Bereich der
Schalldämpfung verschiedene Strömungswege innerhalb des Schalldämpfers mit Hilfe
von Abgasklappen zu öffnen und zu schließen. In diesem Zusammenhang ist aus
der DE-C-199 35 711 ein Schalldämpfer mit einer Abgasklappe bekannt, bei
welcher ein Betätigungselement vom Abgasstrom direkt beaufschlagt wird um ein
die eigentliche Abgasklappe bildendes Verschlusselement zu betätigen. Nachteilig
an dieser Konstruktion ist die Notwendigkeit, sowohl ein Betätigungselement als
auch ein Verschlusselement vorsehen zu müssen. Diese Teile sind nämlich sehr
teuer, weil wegen der hier geforderten Dichtigkeit sowie Korrosions- und
Hitzebeständigkeit die Lagerung derartig beweglicher Teile sehr aufwendig und damit
sehr teuer ist. In der vorerwähnten Druckschrift sind auch bereits direkt steuernde
Klappensysteme erwähnt, bei welchen der Abgasstrom die Abgasklappe direkt
beaufschlagt. Allerdings wird bei den dort erwähnten Lösungen durchweg kritisiert,
dass sie kein stabiles Betriebsverhalten zulassen bzw. den Abgasgegendruck bei
hohem Gasdurchsatz zu stark erhöhen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu
Grunde, eine Abgasklappe konstruktiv zu vereinfachen bei gleichzeitiger
Gewährleistung eines stabilen Betriebsverhaltens. Diese Aufgabe ist durch die
Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 in erfinderischer Weise gelöst.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, an der Abgasklappe eine die
Verschließfunktion erfüllende Verschlussplatte vorzusehen und neben der
Verschlussplatte zusätzlich noch einen Strömungskörper anzuordnen.
Verschlussplatte und Strömungskörper sind folglich miteinander verbunden und
schwenken als Teile der Abgasplatte auch synchron miteinander. Hierbei kann der
Strömungskörper bezogen auf eine rechteckförmige Verschlussplatte neben jeder
der vier Seiten dieses Rechtecks angeordnet sein. Die Verschlussplatte kann
hierbei so ausgestaltet sein, dass sie in der Schließstellung den Abgaskanal
vollständig verschließt. Ebensogut ist es mit der Erfindung möglich, nur einen
Teilbereich des Querschnitts des Abgaskanals zu verschließen. Da die
Verschlussplatte direkt im Abgaskanal angeordnet ist, trifft der Abgasstrom auch
direkt auf die ihm zugewandte Innenfläche der Verschlusspaltte auf. Der
Abgasstrom übt folglich einen Staudruck auf die Innenfläche der Verschlussplatte
aus. Dieser Staudruck wird als öffnende Kraft für die Verschlussplatte und damit
für die Abgasplatte ausgenutzt. Infolge des auf die Verschlussplatte ausgeübten
Staudrucks kann die Abgasklappe sich bis zu einem gewissen Öffnungswinkel
öffnen. Praxisversuche haben ergeben, dass beispielsweise an akustisch
wirksamen Abgasklappen mit Hilfe des Staudrucks ein Öffnungswinkel von etwa 30°
erreicht werden kann. Der auf die Innenseite der Verschlussplatte ausgeübte
Staudruck reicht indessen nicht aus, die Abgasklappe ganz zu öffnen,
insbesondere weil die Öffnungsbewegung der Abgasklappe von der Kraft eines
üblicherweise als Rückstellfeder ausgestalteten Rückstellelements zusätzlich behindert
wird.
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Sobald sich die Abgasklappe öffnet und der Strömungskörper nicht mehr verdeckt
ist, beginnt der Abgasstrom den neben der Verschlussplatte angeordneten
Strömungskörper anzuströmen. Durch dieses Anströmen des Strömungskörpers
wird die Abgasklappe weiter geöffnet, so dass der Strömungskörper als Stellglied
für die Abgasklappe wirksam ist. Auf diese Weise ist ein stabiles
Betriebsverhalten der Abgasklappe gewährleistet. Zudem vorteilhaft an der Erfindung ist die
Tatsache, dass neben der Abgasklappe keine weiteren beweglichen Teile
vorhanden sind, die aufwendig gelagert sein müssen. Vielmehr ist die Abgasklappe
als integrales Bauteil ausgestaltet, welches sowohl die Betätigungsfunktion als
auch die Schließfunktion einer Abgasklappe zugleich erfüllt.
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In den rückbezogenen Ansprüchen sind weitere vorteilhafte und auch teilweise für
sich erfinderische Ausgestaltungen der Erfindung beansprucht.
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Nach der Lehre des Anspruchs 2 ist es vorteilhaft, die Abgasklappe am Ende
eines Kanalabschnitts im Abgaskanal anzuordnen. Auf diese Weise ist es
möglich, beispielsweise mehrere parallele Abgaskanalabschnitte registerartig in Serie
zu schalten. Die Anordnung im Bereich des Endes eines Kanalabschnitts hat den
Vorteil, dass die Lagerung für die Abgasklappe ausserhalb des Abgaskanals und
damit ausserhalb des Abgasstroms angeordnet werden kann. Auf diese Weise
wird die Strömung des Abgasstromes im Abgaskanal von der Lagerung nicht
behindert. Auch ist es so möglich, die Größe des Abgaskanals an den
Abgasstrom anzupassen und so das Strömungsverhalten im Abgaskanal zu
optimieren. Schließlich ist es vorteilhaft, die Abgasklappe mit einer Rückstellfeder zu
versehen, um eine unerwünschte Geräuschentwicklung, beispielsweise ein
Klappern beim Schließen der Klappe bzw. bei geringerem auf die Abgasklappe
ausgeübten Staudruck zu verhindern.
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Anspruch 3 lehrt einen konstruktiv einfachen und zugleich sehr wirkungsvollen
Aufbau der Abgasklappe. Durch ihren U-förmigen Querschnitt wird der
Abgaskanal von der Abgasklappe sehr wirksam verschlossen. Konsequent weitergebildet
ist dieser Aufbau nach der Lehre des Anspruchs 4, wonach die Seitenwände der
Abgasklappe verlängert sind zur Bildung einer gabelartigen Aufnahme des
Strömungskörpers zwischen den Klappenseitenwänden. Die Innenflächen der
Klappenseitenwände und die Innenfläche der Verschlussplatte wirken bei dieser
Konstruktion wie eine Leitschaufel einer Turbine und begünstigen so in besonders
vorteilhafter Weise die anschließende Anströmung des Strömungskörpers.
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Die Ansprüche 5, 6 und 7 betreffen alternative Ausgestaltungen des
Strömungskörpers. So ist es möglich, den Strömungskörper analog zur Verschlussplatte
ebenfalls als ebene Platte auszugestalten. Die ist konstruktiv sehr einfach.
Alternativ dazu kann zur Verbesserung des Strömungsverhaltens auch eine gewölbte
Form des Strömungskörpers in Betracht kommen. Als besonders zweckmässig
wird die Ausführungsform nach Anspruch 7 angesehen, wonach der
Strömungskörper nach Art eines Tragflügels ausgestaltet ist. Ähnlich wie bei der Tragfläche
eines Flugzeugs wird hierbei zunächst die Stirnseite des Tragflügels angeströmt
und der Abgasstrom gewissermaßen zweigeteilt. Da der Abgasstrom auf der
Oberseite des Tragflügels eine höhere Geschwindigkeit aufbaut als auf der
unteren Seite des Tragflügels, ist der statische Druck oberhalb des Tragflügels
geringer als auf der Unterseite des Tragflügels, was einen zusätzlichen Auftrieb
des Tragflügels und damit der Abgasklappe bewirkt, wodurch die Abgasklappe
weiter geöffnet wird. Insbesondere in Kombination mit der
turbinenleitschaufelartigen Ausgestaltung der Klappenseitenwände und der Verschlussplatte lässt sich
eine vollständige Öffnung der Abgasklappe erreichen.
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Nach Anspruch 8 ist es auch möglich, mehrere Strömungskörper nebeneinander
anzuordnen. Hierbei kann es aus Platzgründen sinnvoll sein, die Strömungskörper
so anzuordnen, dass sie gleichzeitig arbeiten, also parallel geschaltet sind. Es ist
aber ebensogut möglich, die Strömungskörper so aufeinander abgestimmt
anzuordnen, dass sie erst nacheinander nach Art einer Registerschaltung wirksam
sind. Schließlich ist es auch möglich, mehrere Strömungskörper in Serie zu
schalten.
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Nach Anspruch 9 ist es zweckmässig, das Schwenklager für die Abgasklappe an
einem Ende, dem Festende vorzusehen und den Strömungskörper am anderen
Ende der Abgasklappe, nämlich an dem dem Festende abgewandten Freiende
anzuordnen. Auf diese Weise sind das Schwenklager und der Strömungskörper
weit voneinander entfernt angeordnet, so dass der wirksame Hebelarm und damit
das auf die Abgasklappe wirkende Drehmoment beim Anströmen des
Strömungskörpers sehr groß ist, was ein schnelles und sicheres Öffnen der Abgasklappe
gewährleistet.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen ist die
Erfindung weiter beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 die Seitenansicht eines Abgaskanalendes mit vollständig verschlossener
Abgasklappe
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Fig. 2 die Ansicht aus Fig. 1 mit teilweise geöffneter Abgasklappe
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Fig. 3 die Ansicht aus Fig. 1 mit vollständig geöffneter Abgasklappe
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Fig. 4 die Vorderansicht in dem Abgaskanal gemäß Pfeil IV in Fig. 3
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Fig. 5 eine Unteransicht der Abgasklappe
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Fig. 6 eine Vorderansicht der Abgasklappe gemäß Pfeil VI in Fig. 5
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Fig. 7 eine schematische Darstellung der Drehlagerung der Abgasklappe am
Abgaskanal gemäß Pfeil VII in Fig. 4
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Fig. 8 eine weitere Seitenansicht eines Abgaskanalendes mit einer
Ausführungsform einer Abgasklappe mit mehreren Strömungskörpern in geschlossener
Stellung
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Fig. 9 Prinzipdarstellungen von drei Funktionsstellungen der Abgasklappe sowie
die Kurve des Gegendruckverlaufs und die Kurve des Öffnungswinkels
aufgetragen über den Massenstrom.
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Der Abgaskanal 1 in Fig. 1 wird in Strömungsrichtung 2 von einem Abgasstrom
durchströmt und ist endseitig von der Abgasklappe 3 verschlossen. Fig. 1 zeigt
folglich die Abgasklappe 3 in ihrer Schließstellung. Die Abgasklappe 3 ist im
Querschnitt U-förmig (Fig. 6), wobei die Klappenseitenwände 4 die U-Schenkel
bilden, die durch das von der Verschlussplatte 5 gebildete U-Querjoch
miteinander verbunden sind. In Fig. 1 sichtbar ist die Verschlussplatte 5 und die dem
Betrachter zugewandte Klappenseitenwand 4. Die Abgasklappe 3 ist erkennbar
um das Scharniergelenk 6 schwenkbar gelagert. Das Scharniergelenk 6 ist von
einem Scharnierbolzen 7 gebildet, welcher Scharnierbolzen 7 jeweils ein
Lagerauge 8 im Bereich des Festendes 9 in jeder Klappenseitenwand 4 durchsetzt.
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In Fig. 1 weiterhin erkennbar ist ein Schenkel, der als Schenkelfeder
ausgebildeten Rückstellfeder 10. Dieser Schenkel der Rückstellfeder 10 greift in einer im
Bereich der Verschlussplatte 5 in die Abgasklappe 3 eingeformte Aussparung 11
ein.
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Im Bereich des dem Festende 9 in der zur Strömungsrichtung 2 rechtwinklig
verlaufenden Querrichtung 12 abgewandten Freiendes 13 ist angebracht der als
Tragflügel ausgebildete Strömungskörper 14. Der Strömungskörper 14 ist in
Querrichtung 12 neben der Verschlussplatte 5 angeordnet. Im
Ausführungsbeispiel überlappen die Verschlussplatte 5 und der Strömungskörper 14 sich in
Querrichtung 12 nicht. Der Strömungskörper 14 ist zudem im Bereich des unteren
Randes der Klappenseitenwände 4 angeordnet, also in Strömungsrichtung 2 in
einer anderen Ebene als die Verschlussplatte 5. Gelagert ist der Strömungskörper
14 zwischen den Klappenseitenwänden 4, die hierfür gabelartig über die
Verschlussplatte 5 hinaus in Querrichtung 12 verlängert sind.
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In Fig. 2 und Fig. 3 erkennbar ist ein im Bereich der Öffnung des Abgaskanals 1 in
Querrichtung 12 dem Scharniergelenk 6 abgewandter Anschlag 15 für die
Abgasklappe 3. Der Anschlag 15 ist als Blechflansch ausgestaltet und trägt ein nach Art
eines Anschlagkissens wirksames weiches Drahtgestrick 16. Das Drahtgestrick 16
verhindert Klappergeräusche der im geschlossenen Zustand auf dem Anschlag 15
aufliegenden Abgasklappe 3. In der Darstellung der Fig. 4 ist sichtbar, dass der
Anschlag 15 als im Wesentlichen rechteckförmiger Flansch ausgestaltet ist in
Anpassung an die in Fig. 5 erkennbar Form der ebenfalls rechteckfömigen
Verschlussplatte 5 der Abgasklappe 3. In Fig. 8 schließlich ist dargestellt eine weitere
Ausführungsform der Abgasklappe 3. Im Bereich des Freiendes 13 ist neben dem
Strömungskörper 14 ein Strömungszusatzkörper 17 vorgesehen. Auch der
Strömungszusatzkörper 17 ist im Ausführungsbeispiel ebenso wie der
Strömungskörper 14 als Tragflügel ausgestaltet. Die den Strömungskörper 14 bzw. den
Strömungszusatzkörper 17 bildenden Tragflügel sind üblicherweise als
Blechbiegeteile kostengünstig herstellbar.
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Anhand der Fig. 1-3 sei die Wirkungsweise der erfinderischen Abgasklappe 3
erläutert.
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In Fig. 1 ist die Schließstellung der Abgasklappe 3 dargestellt. Hierbei liegt die
Verschlussplatte 5 auf dem flanschartig ausgestalteten Anschlag 15 am Ende des
Abgaskanals 1 auf. Durch den Abgaskanal 1 strömt in Fig. 1 kein Abgasstrom.
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Sobald in Strömungsrichtung 2 ein Abgasstrom durch den Abgaskanal 1
hindurchströmt, wird die dem Abgaskanal 1 zugewandte Innenseite der
Verschlussplatte 5 vom Abgasstrom beaufschlagt, so dass sich an der Innenseite der
Verschlussplatte 5 ein Staudruck aufbaut. Dieser Staudruck übt auf die
Verschlussplatte 5 und somit auch auf die gesamte Abgasklappe 3 eine in
Strömungsrichtung 2 wirksame Kraft aus, so dass die Abgasklappe 3 gegen den
Federdruck der Rückstellfeder 10 teilweise geöffnet wird, was in Fig. 2 dargestellt
ist. Die Abgasklappe 3 hebt gewissermaßen vom Staudruck angetrieben vom
Drahtgestrick 16 am Anschlag 15 ab und wird um das Scharniergelenk 6
aufgeschwenkt.
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Diese vom Staudruck erzeugte Öffnungsstellung zeigt Fig. 2. Im geöffneten
Zustand wird der Abgasstrom an den Innenseiten sowohl der Verschlussplatte 5
als auch der Klappenseitenwände 4 in Richtung auf das Freiende 13 geleitet. Die
Innenseiten der Verschlussplatte 5 und der Klappenseitenwände 4 haben hierbei
die Wirkung einer Leitschaufel einer Turbine und bewirken eine zielgerichtete
Anströmung des Strömungskörpers 14. Der Abgasstrom trifft infolge dieser
geleiteten Strömung auf die Stirnseite des Strömungskörpers 14 auf und strömt
sowohl entlang der dem Abgaskanal 1 zugewandten Unterseite als auch entlang
der der Verschlussplatte 5 zugewandten Oberseite des Strömungskörpers 14. Da
die Geschwindigkeit des Luftstroms auf der der Verschlussplatte 5 zugewandten
Oberseite des Strömungskörpers 14 eine höhere Geschwindigkeit hat als auf der
Unterseite wirkt der Strömungskörper 14 nach Art einer Tragfläche eine
Flugzeugs, so dass die Strömung einen Auftrieb erzeugt.
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Infolge des Auftriebs wird die Abgasklappe 3 aus ihrer in Fig. 2 gezeigten, etwa
halb geöffneten Stellung vollständig geöffnet, wie in Fig. 3 dargestellt. Der
Abgasstrom kann völlig ungehindert durch den Abgaskanal 1 hindurch strömen.
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Der Staudruck, der auf die Unterseite der Verschlussplatte auftreffenden
Strömung kann nur eine so große Kraft erzeugen, dass die Abgasklappe 3 gegen die
Federkraft der Rückstellfeder 10 in eine Halböffnungsstellung gemäß Fig. 2
verfahren kann. Mit Hilfe des erfindungsmäßigen, an der Abgasklappe 3
angebrachten zusätzlichen Strömungskörper 14 kann dagegen eine vollständige
Öffnung der Abgasklappe 3 erreicht werden. Dies ist vor allem im
Vollleistungsbereich erwünscht, weil hier eine in den Querschnitt des Abgaskanals 1
hineinstehende Abgasklappe 3 ein Strömungshindernis wäre und leistungsbegrenzend
wirken würde. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass mit Hilfe des
Abgasstroms jede beliebige Klappenöffnungsstellung realisierbar ist, weil es in
verschiedenen Einsatzzuständen auch durchaus erwünscht sein, die Abgasklappe
3 nicht vollständig geöffnet zu haben. Mit Hilfe der Erfindung ist es also möglich,
die Abgasklappe 3 stufenlos zwischen ihrer Schließstellung und ihrer
vollständigen Öffnungsstellung allein über den Abgasstrom einzustellen bzw. den
Öffnungswinkel der Abgasklappe 3 zu regeln.
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Die vorstehend erläuterte Wirkungsweise der erfindungsmäßigen Abgasklappe 3
ist auch erkennbar aus Fig. 9. In der oberen Hälfte der Fig. 9 sind noch einmal die
in den Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Stellungen der Abgasklappe 3
schematisch abgebildet mit einigen Erläuterungen. Die Abbildung links oben zeigt analog
Fig. 1 die Abgasklappe 3 im verschlossenen Zustand. In diesem verschlossenen
Zustand strömt eine geringe Strömung durch den Abgaskanal 1. Diese Strömung
ist durch die Pfeile im Abgaskanal 1 dargestellt.
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Die Tabelle im unteren Teil der Fig. 9 zeigt auf der Abszisse den Massenstrom
gemessen in kg/h. Auf der linken Ordinate ist der auf die Verschlussplatte 5 der
Abgasklappe 3 einwirkende Gegendruck in hPa dargestellt. Die dick gestrichelte
Linie in der Graphik zeigt den Verlauf des Gegendrucks über den Massenstrom.
Bei geschlossener Abgasklappe 3, also bei geringer Strömung am Punkt A beträgt
der Massenstrom etwa 80 kg/h und der Gegendruck etwa 22 hPa. Bei einem
Massenstrom von 100 kg/h erreicht der Gegendruck bei etwa 35 hPa ein
Maximum, die Abgasklappe 3 wird geöffnet. Wächst die Strömung weiter an, d. h.
steigt der Massenstrom, wird der in der mittleren Darstellung der oberen Hälfte der
Fig. 9 dargestellte Zustand der mittleren Strömung erreicht. Der Strömungskörper
14 erzeugt hierbei einen Auftrieb. Der Gegendruck sinkt bei einem Massenstrom
von 250 kg/h vom Maximum auf etwa 20 hPa ab (Punkt B auf der dick
gestrichelten Linie). Der Öffnungswinkel der Abgasklappe 3 beträgt bei diesem
Massenstrom etwa 15°, was auf der in Fig. 9 rechts abgebildeten Ordinate ablesbar. Die
dünn gestrichelte Linie in Fig. 9 zeigt nämlich den Öffnungswinkel der
Abgasklappe 3 im Verhältnis zum Massenstrom.
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Aus der Darstellung der Fig. 9 ist also leicht erkennbar, dass eine starke
Strömung, also eine Vergrößerung des Massenstroms dazu führt, dass der wirksame
Gegendruck an der Abgasklappe 3 gegen null geht, während die Abgasklappe
vollständig bis zu 90° öffnet. Die Funktionsstellungen "A: Geringe Strömung", "B:
Mittlere Strömung" und "C: Starke Strömung" sind in der in Fig. 9 unten stehenden
Tabelle jeweils auch mit A, B und C gekennzeichnet und in der dick gestrichelten
Kurve des über dem Massenstrom abgetragenen Gegendrucks mit Pfeilen
angezeichnet. Der Öffnungswinkel der Abgasklappe 3 ist in der in Fig. 9 unten
dargestellten Tabelle so dargestellt, dass er stets der Bilddarstellung in der darüber
abgedruckten Prinzipdarstellung entspricht. Bei der in Prinzipdarstellung A
dargestellten geringen Strömung beträgt der Öffnungswinkel 0°. Die Abgasklappe 3 ist
geschlossen. Bei der in Prinzipdarstellung B abgebildeten mittleren Strömung
beginnt sich die Abgasklappe 3 zu öffnen bis sie bei der in der Prinzipdarstellung
C dargestellten starken Strömung ihre extreme Öffnungsstellung mit einem
Öffnungswinkel von 90° erreicht. Es sei ausdrücklich angemerkt, dass Fig. 9 in
erster Linie den qualitativen Verlauf des Massenstroms und des Öffnungswinkels
zeigt und dass die angegebenen Zahlenwerte sich nur auf ein
Ausführungsbeispiel beziehen und bei anderen Ausführungsformen sich andere Zahlenwerte
ergeben können.
Bezugszeichenliste
1 Abgaskanal
2 Strömungsrichtung
3 Abgasklappe
4 Klappenseitenwand
5 Verschlussplatte
6 Scharniergelenk
7 Scharnierbolzen
8 Lagerauge
9 Festende
10 Rückstellfeder
11 Aussparung
12 Querrichtung
13 Freiende
14 Strömungskörper
15 Anschlag
16 Drahtgestrick
17 Strömungszusatzkörper