DE102004059540B3

DE102004059540B3 - Vorrichtung zum Drosseln und Steuern von Strömungswegen, insbesondere in einem Schalldämpfer

Info

Publication number: DE102004059540B3
Application number: DE200410059540
Authority: DE
Inventors: Björn Dr. Damson; Jan Dr. Krüger
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2024-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Drosseln eines ersten Strömungswegs (12) und zum Steuern eines zweiten Strömungswegs (14),
- wobei in einem Kanal (2) eine Drosselklappe (9) angeordnet ist, die zwischen einer Schließstellung, in welcher sie einen Strömungsquerschnitt des Kanals (2) minimiert, und einer Offenstellung, in welcher sie den Strömungsquerschnitt des Kanals (2) maximiert, verstellbar ist,
- wobei die Drosselklappe (9) durch Staudruck und Strömungskräfte einer Strömung (11) durch den ersten Strömungsweg (12) gesteuert ist, welche die Drosselklappe (9) beaufschlagt,
- wobei der Kanal (2) in einer ersten Kanalwand (5) eine erste Seitenöffnung (13) aufweist,
- wobei die Drosselklappe (9) an einer ersten Seitenkante (16) eine erste Seitenblende (15) aufweist,
- wobei die erste Seitenblende (15) die erste Seitenöffnung (13) von der Schließstellung bis zu einer ersten Steuerstellung der Drosselklappe (9) sperrt und von der ersten Steuerstellung bis zur Offenstellung der Drosselklappe (9) zunehmend freigibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drosseln eines ersten Strömungswegs und zum Steuern eines zweiten Strömungswegs. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem Schalldämpfer einer Abgasanlage, insbesondere in Kraftfahrzeugen.

Um in einem Schalldämpfer einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine die schalldämpfende Wirkung zu verbessern, ist es üblich, in einem Strömungspfad im Inneren des Schalldämpfers eine Drosselklappe oder dgl. anzuordnen, die druckabhängig und in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms und somit in Abhängigkeit der Motorlast verstellt wird. Nachteilig ist dabei, dass eine derartige Drosselklappe regelmäßig mit einem Druckverlust bzw. mit einem erhöhten Durchströmungswiderstand des Schalldämpfers einhergeht. Ein erhöhter Strömungswiderstand reduziert jedoch die Leistungsfähigkeit, der mit der Abgasanlage, in welcher der Schalldämpfer angeordnet ist, ausgestatteten Brennkraftmaschine.

Aus der DE 103 04 364 A1 ist eine Abgasanlage mit einer Drosselanordnung bekannt. Die Drosselanordnung umfasst eine Drosselklappe, die in einem Abgas führenden Rohr der Abgasanlage zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verstellbar angeordnet ist. Dabei wird die Drosselklappe durch Staudruck und Strömungskräfte einer die Drossel klappe beaufschlagenden, durch den im Rohr ausgebildeten Strömungsweg geführten Strömung gesteuert.

Aus der DE 199 35 711 C1 ist ein Schalldämpfer bekannt, der am Austrittsende eines Einlassrohrs ein durch Staudruck und Strömungskräfte steuerbares Betätigungselement aufweist, das mit einer Drosselklappe antriebsverbunden ist. Die Drosselklappe ist in einem zwei Kammern des Schalldämpfers miteinander verbindenden Verbindungsrohr zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verschwenkbar gelagert.

Die DE 197 29 666 A1 zeigt einen Schalldämpfer, dessen Einlassrohr in einer ersten Kammer eine Perforation aufweist und mit seinem Auslass in einer zweiten Kammer angeordnet ist und mit Hilfe eines Ventiltellers verschließbar ist, der mit einer vorbestimmten Schließkraft gegen das Auslassende des Einlassrohrs vorgespannt ist. Ein erster Strömungsweg führt von der Perforation des Einlassrohrs über die erste Kammer durch ein Auslassrohr. Ein zweiter Strömungsweg, der bei abgehobenem Ventilteller offen ist, führt durch den Auslass des Einlassrohrs über die zweite Kammer, durch ein Verbindungsrohr in die erste Kammer und durch das Auslassrohr. Der Ventilteller ist durch den Staudruck und die Strömungskräfte im Einlassrohr gesteuert.

Die DE 197 20 410 A1 zeigt einen Schalldämpfer mit einer Expansionskammer sowie mit einer ersten und einer zweiten Volumenkammer, die beiderseits der Expansionskammer angeordnet sind. Abgase treten durch ein Einlassrohr in die erste Volu menkammer ein, wobei an einem mittleren Teil des Einlassrohr eine Öffnung zur Expansionskammer gebildet ist. Die Abgase in der zweiten Volumenkammer werden über ein Auslassrohr nach außen abgeführt, wobei an einem mittleren Teil des Auslassrohrs eine Öffnung zur Expansionskammer gebildet ist. Desweiteren ist ein Ventil vorgesehen, das einem die beiden Volumenkammern verbindenden Rohr zugeordnet sein kann, um Abgase in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz aus der ersten in die zweite Volumenkammer zu führen.

Aus der DE 196 19 173 C1 ist ein Schalldämpfer bekannt, dessen Eingangsrohr an seinem Auslassende in einer ersten Kammer mündet und in einer davon beabstandeten zweiten Kammer eine Seitenöffnung aufweist. Die erste Kammer ist über ein Verbindungsrohr direkt oder indirekt mit der zweiten Kammer verbunden. Ein Ausgangsrohr beginnt in der zweiten Kammer und führt aus dem Schalldämpfer heraus. Die Seitenöffnung des Eingangsrohr ist mit Hilfe eines pneumatisch arbeitenden Aktors steuerbar. Der den Aktor bewegende Gasdruck wird durch eine Venturidüse erzeugt, die im Eingangsrohr zwischen der Seitenöffnung und dem Auslassende angeordnet ist. Der Schalldämpfer enthält dadurch zwei Gaswege, nämlich einen permanent offenen, durch das Auslassende und die erste Kammer führenden ersten Gasweg und einen vom Aktor gesteuerten, durch die Seitenöffnungen führenden und die erste Kammer umgehenden zweiten Gasweg.

Die DE 195 20 157 A1 zeigt einen weiteren Schalldämpfer, in dem eine Drosselklappe zur Verminderung des Abgasgegendrucks bei höheren Drehzahlen angeordnet ist. Die Drosselklappe wird dabei durch einen Magneten und/oder durch eine Feder in ihrer Schließstellung gehalten und öffnet bei entsprechendem Abgasdruck selbsttätig.

Aus der DE 195 03 322 A1 ist ein Schalldämpfer bekannt, dessen Einlassrohr in einer Kammer mündet, wobei die Mündungsöffnung mit einem Ventilteller gesteuert ist, dessen Position mit einer Überdruckdose pneumatisch einstellbar ist. Der Steuerdruck der Überdruckdose wird dabei dem Einlassrohr entnommen. Das Einlassrohr ist außerdem perforiert, wodurch ein die Mündung umgehender Bypass entsteht.

Die DE 298 03 183 U1 zeigt einen weiteren Schalldämpfer, dessen Eingangsrohr mündungsseitig mit einem Ventil steuerbar ist, wobei das Eingangsrohr gleichzeitig stromauf des Mündungsendes zumindest eine ungesteuerte Queröffnung besitzt, durch die Abgas bei gesperrtem Mündungsende austreten kann.

Die DE 92 07 838 U1 zeigt einen Schalldämpfer mit zwei unterschiedlichen Strömungswegen, von denen der eine mit einem Ventil steuerbar ist, während der andere ungesteuert ist.

Die EP 0 902 171 A2 zeigt einen weiteren Schalldämpfer, in dem zwei unterschiedliche Strömungswege ausgebildet sind, wobei der eine Strömungsweg mittels einer Klappe gesteuert ist, die durch daran angreifenden Staudruck gegen Federkraft öffnet.

Aus der EP 0 710 767 B1 ist ein Schalldämpfer bekannt, der zwei Auslassrohre aufweist, von denen das eine mittels einer pneumatischen Stelleinrichtung steuerbar ist. Der pneumatische Steuerdruck zur Betätigung der Stelleinrichtung ist dabei im wesentlichen der Staudruck der Abgasströmung am Austrittsende eines Einlassrohrs des Schalldämpfers.

Aus der GB 2 254 888 A ist ein Schalldämpfer bekannt, der zwei Strömungswege enthält. Hierzu sind in einem Rohr, das stromauf eines Auslassrohrs mündet, ein Sperrventil und ein Überdruckventil angeordnet. Bei geöffnetem Sperrventil ist das Überdruckventil geschlossen und das Abgas strömt nur durch den ersten Strömungsweg, und zwar vom Mündungsende des Rohrs direkt zum Auslassrohr. Bei gesperrtem Sperrventil öffnet das Überdruckventil, so dass nur der zweite Strömungsweg aktiv ist und das Abgas zuerst in eine Entspannungskammer einströmt, bevor es in das Auslassrohr einströmt.

Die US 5,801,343 zeigt einen Schalldämpfer mit mehreren Kammern und mehreren Rohren, wobei eines der Rohre einen Bypass bildet, dem eine Drosselklappe zugeordnet ist. Die Drosselklappe ist federbelastet in eine Schließstellung vorgespannt und öffnet in Abhängigkeit des daran angreifenden Staudrucks bzw. in Abhängigkeit der daran angreifenden Strömungskräfte.

Die US 5,708,237 zeigt einen weiteren Schalldämpfer mit einer Expansionskammer sowie mit einer ersten und einer zwei ten Volumenkammer, die beiderseits der Expansionskammer angeordnet sind. Abgase treten durch ein Einlassrohr in die erste Volumenkammer ein, wobei an einem mittleren Teil des Einlassrohres eine Öffnung zur Expansionskammer gebildet ist. Die Abgase in der zweiten Volumenkammer werden über ein Einlassrohr nach außen abgeführt, wobei an einem mittleren Teil des Auslassrohrs eine Öffnung zur Expansionskammer gebildet ist. Desweiteren ist ein Ventil vorgesehen, das einem die beiden Volumenkammern verbindenden Rohr zugeordnet ist, um Abgase in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz aus der ersten in die zweiten Volumenkammer zu führen.

Die JP 02-248609 A zeigt einen Schalldämpfer mit einem Haupteinlassrohr, von dem ein Nebeneinlassrohr abzweigt, wobei zur Umleitung der Abgasströmung in das Nebeneinlassrohr ein Steuerventil vorgesehen ist, das mit einem Servomotor in Abhängigkeit von Drehzahl und Drosselklappenstellung betätigbar ist.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, mit deren Hilfe insbesondere der Strömungswiderstand in einem Schalldämpfer bei größeren Massenströmen reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine in Abhängigkeit des Massenstroms betätigte und zum Drosseln eines ersten Strömungswegs dienende Drosselklappe mit wenigstens einer Seitenblende zu versehen, die in Abhängigkeit der Drosselstellung der Drosselklappe eine zu einem zweiten Strömungsweg gehörende Seitenöffnung steuert. Die Bauweise führt dazu, dass die Seitenöffnung bei einer vordefinierten Drosselstellung der Drosselklappe geöffnet wird und somit den zuvor gesperrten zweiten Strömungsweg mehr oder weniger öffnet. Durch den zugeschalteten zweiten Strömungsweg ist der gesamte durchströmbare Querschnitt des Kanals vergrößert und der Durchströmungswiderstand des Kanals verkleinert. Außerdem kann der zweite Strömungsweg durch die geöffnete Seitenöffnung hindurch einen deutlich niedrigeren Strömungswiderstand als der erste Strömungsweg besitzen, in dem die Drosselklappe angeordnet ist. Bei einer Verwendung dieser Vorrichtung in einem Schalldämpfer kann somit der zweite Strömungsweg bei größeren Lasten der Brennkraftmaschine, al so bei größeren Massenströmen einen zusätzlichen Strömungspfad innerhalb des Schalldämpfers öffnen, der einen erheblich niedrigeren Strömungswiderstand aufweist als ein mit dem ersten Strömungsweg der Vorrichtung gekoppelter erster Strömungspfad durch den Schalldämpfer.

Wichtig ist hierbei die Blendenwirkung der Seitenblende beim Steuern der Seitenöffnung, die dazu führt, dass der zweite Strömungsweg der Vorrichtung und somit der zweite Strömungspfad des Schalldämpfers bei geöffneter Seitenöffnung einen minimalen Strömungswiderstand aufweist und insbesondere den Druckabfall umgeht, der in dem die Drosselklappe enthaltende Strömungsweg, entsteht.

Die Seitenblende arbeitet dabei wie ein Schwenkschieber und bildet bei geöffneter Seitenöffnung keinen zusätzlichen Strömungswiderstand im zweiten Strömungsweg bzw. im zweiten Strömungspfad. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, um bei geöffneter Seitenöffnung einen minimalen Strömungswiderstand für den zweiten Strömungsweg bzw. für den zweiten Strömungspfad zu gewährleisten.

Gleichzeitig wird durch die Seitenblende, die sich beim Verschwenken der Drosselklappe entlang der mit der Seitenöffnung versehenen Kanalwand bewegt, eine Seitenführung für die Drosselklappe erreicht, wodurch die Funktionsfähigkeit der Drosselklappe verbessert wird.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung kann die Seitenblende eine erste Kante aufweisen, die in der Schließstellung der Drosselklappe an einer Kanalwand anliegt, die quer zu der mit der Seitenöffnung versehenen Kanalwand verläuft. Zusätzlich oder alternativ kann die Seitenblende auch eine zweite Kante aufweisen, die in der Offenstellung der Drosselklappe an einer Kanalwand anliegt, die quer zu der mit der Seitenöffnung versehenen Kanalwand verläuft. Auf diese Weise kann für die Drosselklappe ein die Schließstellung definierender erster Anschlag und/oder ein die Offenstellung definierender zweiter Anschlag mit Hilfe der Seitenblende realisiert werden, was für eine sichere und effektive Funktion der Drosselklappe von Vorteil ist.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht auf eine Vorrichtung nach der Erfindung,
2 eine Prinzipdarstellung im Längsschnitt eines Schalldämpfers nach der Erfindung,
3 eine Ansicht wie in 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
4 eine Ansicht wie in 2, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
5 eine Ansicht wie in 2, jedoch nochmals bei einer anderen Ausführungsform,
6 ein Diagramm, das einen freien Strömungsquerschnitt durch die Vorrichtung gemäß 1 in Abhängigkeit eines Massenstroms darstellt.
Entsprechend 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen hier mit unterbrochenen Linien dargestellten Kanal 2 auf, der einen Kanaleinlass 3 sowie einen Kanalauslass 4 aufweist. Des Weiteren besitzt der Kanal 2 einen durchströmbaren Querschnitt, also einen Strömungsquerschnitt, der im vorliegenden Fall rechteckig geformt ist. Dementsprechend weist der Kanal 2 eine erste Kanalwand 5 auf, die an einer in 1 dem Betrachter zugewandten Seite des Kanals 2 angeordnet ist. Der ersten Kanalwand 5 gegenüberliegend ist eine entsprechend vom Betrachter abgewandte zweite Kanalwand 6 vorgesehen. Eine dritte Kanalwand 7 befindet sich an einer in 1 oben dargestellte Oberseite, während eine vierte Kanalwand 8 an einer Unterseite des Kanals 2 angeordnet ist. Die Kanalwände 5 bis 8 fassen somit den Kanal 2 umfangsmäßig ein und definieren den Strömungsquerschnitt.
Im Kanal 2 führt ein erster Strömungsweg 12 vom Kanaleinlass 3 zum Kanalauslass 4. Der erste Strömungsweg 12 ist hierbei durch einen mit unterbrochener Linie gezeichneten Pfeil symbolisiert.
Im Kanal 2 ist eine Drosselklappe 9 angeordnet, die schwenkverstellbar angebracht ist. Im vorliegenden Fall ist die Drosselklappe 9 um eine Schwenkachse 10 zwischen einer in den 1 und 2 gezeigten Schließstellung und einer in 4 gezeigten Offenstellung schwenkverstellbar. In der Schließstellung der Drosselklappe 9 besitzt der Strömungsquerschnitt des Kanals 2 seinen minimalen Wert, während er in der Offenstellung der Drosselklappe 9 seinen maximalen Wert einnimmt. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit der Stellung der Drosselklappe 9 der erste Strömungsweg 12 gedrosselt werden. Die Vorrichtung 1 dient somit zum Drosseln des ersten Strömungswegs 12.
Die Schwenkachse 10 erstreckt sich dabei im wesentlichen quer zu einer durch Pfeile symbolisierten Strömungsrichtung 11 des ersten Strömungswegs 12.
Alternativ kann die Drosselklappe 9 auch so angebracht sein, dass ihre Schwenkverstellung keine reine Drehung ist, sondern eine kombinierte Dreh- und Schiebebewegung.
Die Drosselklappe 9 ist plattenförmig und nahezu eben ausgestaltet und ist am Kanal 2 so angebracht, dass sie sich quer zur Strömungsrichtung des ersten Strömungswegs 12 erstreckt. Hierdurch kann eine Strömungssteuerung für die Drosselklappe 9 realisiert werden. Das heißt, die Drosselklappe 9 wird durch den Staudruck und durch die Strömungskräfte betätigt, der bzw. die bei einer Strömung durch den ersten Strömungsweg 12 an einer Anströmseite der Drosselklappe 9 anliegt bzw. angreifen. Die Betätigung der Drosselklappe 9, also deren Stellung oder Drosselstellung, hängt somit vom Staudruck und den Strömungskräften und in der Folge vom Massenstrom im ersten Strömungsweg 12 ab.
Die erste Kanalwand 5 ist mit wenigstens einer ersten Seitenöffnung 13 versehen. Vom Kanaleinlass 3 zu dieser ersten Seitenöffnung 13 führt ein zweiter Strömungsweg 14, der hier durch einen mit unterbrochener Linie gezeichneten Pfeil symbolisiert ist. Zum Steuern der ersten Seitenöffnung 13 ist die Drosselklappe 9 mit einer ersten Seitenblende 15 ausgestattet. Die erste Seitenblende 15 ist dabei an einer der ersten Kanalwand 5 zugewandten ersten Seitenkante 16 der Drosselklappe 9 angeordnet und fest mit der Drosselklappe 9 verbunden. Insbesondere sind Drosselklappen 9 und erste Seitenblende 15 einstückig hergestellt.
Die erste Seitenblende 15 erstreckt sich entlang der ersten Kanalwand 5 und kann dabei im wesentlichen parallel zur ersten Kanalwand 5 verlaufen oder dazu geneigt sein. Grundsätzlich kann die erste Seitenblende 15 direkt an der ersten Kanalwand 5 anliegen. Durch die, insbesondere großflächige, Anlage der ersten Seitenblende 15 an der ersten Kanalwand 5 ergibt sich eine effektive Seitenführung für die Drosselklappe 9. Des Weiteren kann mit der ersten Seitenblende 15 die erste Seitenöffnung 13 gesteuert werden. Da die erste Seitenblende 15 fest mit der Drosselklappe 9 verbunden ist, erfolgt eine Betätigung der ersten Seitenblende 15 in Abhängigkeit einer Betätigung oder Schwenkverstellung der Drosselklappe 9.
Die Positionierung der ersten Seitenöffnung 13 und die Dimensionierung der ersten Seitenblende 15 sind so aufeinander abgestimmt, dass die erste Seitenblende 15 die erste Seitenöffnung 13 sperrt, solange sich die Drosselklappe 9 zwischen ihrer Schließstellung gemäß den 1 und 2 und einer ersten Steuerstellung gemäß 3 bewegt. Erst wenn sich die Drosselklappe 9 zwischen der ersten Steuerstellung und ihrer Offenstellung gemäß 4 bewegt, öffnet die erste Seitenblende 15 die erste Seitenöffnung 13 mehr oder weniger. Die erste Steuerstellung der Drosselklappe 9 definiert somit diejenige Drosselstellung, bei der die erste Seitenblende 15 beim Öffnen der Drosselklappe beginnt, die erste Seitenöffnung 3 zu öffnen. Zweckmäßig kann die Abstimmung hier so gewählt sein, dass die erste Seitenblende 15 die erste Seitenöffnung 13 erst bei Erreichen der Offenstellung der Drosselklappe 9 vollständig öffnet. Dementsprechend dient die Vorrichtung 1 auch zum Steuern der ersten Seitenöffnung 13 und somit zum Steuern des zweiten Strömungswegs 14.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist außerdem wenigstens eine zweite Seitenöffnung 17 vorgesehen, die hier zweckmäßig in der der ersten Kanalwand 5 gegenüberliegenden zweiten Kanalwand 6 angeordnet ist.
Auch hier führt ein Strömungsweg vom Kanaleinlass 3 zur zweiten Seitenöffnung 17, der ebenfalls durch einen Pfeil mit unterbrochener Linie symbolisiert ist. Da bei der in den 2 bis 4 beschriebenen bevorzugten Anwendung die zweite Seitenöffnung 17 und die erste Seitenöffnung 13 zum gleichen, den Kanal 2 umgebenden Raum führen, handelt es sich bei dem vom Kanaleinlass 3 zur zweiten Seitenöffnung 17 führenden Strömungsweg ebenfalls um den zweiten Strömungsweg 14, der zur Unterscheidung im folgenden mit 14' bezeichnet wird.
Die Drosselklappe 9 ist an einer der zweiten Kanalwand 6 zugewandten zweiten Seitenkante 18 mit einer zweiten Seitenblende 19 ausgestattet, die ebenfalls fest mit der Drosselklappe 9 verbunden ist. Zweckmäßig kann die zweite Seitenblende 19 einstückig mit der Drosselklappe 9 hergestellt sein. Beispielsweise sind die Drosselklappe 9 und die beiden Seitenblenden 15 und 19 aus einem Blechstück durch Umformung einstückig hergestellt.
Auch die zweite Seitenblende 19 erstreckt sich entlang der zweiten Kanalwand 6, insbesondere parallel zu dieser und kann diese vorzugsweise großflächig berühren. Analog zur ersten Seitenblende 15 kann nun die zweite Seitenblende 19 die zweite Seitenöffnung 17 in Abhängigkeit der Drehlage der Drosselklappe 9 steuern. Dabei sperrt die zweite Seitenblende 19 die zweite Seitenöffnung 17 von der Schließstellung bis zu einer zweiten Steuerstellung der Drosselklappe 9 und gibt die zweite Seitenöffnung 17 von dieser zweiten Steuerstellung bis zur Offenstellung der Drosselklappe 9 zunehmend frei. Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform entspricht die erste Steuerstellung der Drosselklappe 9 gleichzeitig der zweiten Steuerstellung der Drosselklappe 9. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die beiden Seitenöffnungen 13, 17 durch die zugehörigen Seitenblenden 15, 19 simultan gesteuert werden.
Abweichend davon ist grundsätzlich auch eine Ausführungsform möglich, bei der die beiden Steuerstellungen voneinander abweichen, so dass beispielsweise die erste Seitenöffnung 13 beim Öffnen der Drosselklappe 9 früher zum Öffnen angesteuert wird als die zweite Seitenöffnung 17. Des Weiteren ist grundsätzlich auch eine Ausführungsform möglich, die zusätzlich eine dritte Seitenöffnung aufweist, die beispielsweise an der Unterseite bzw. an der vierten Kanalwand 8 ausgebil det sein kann. Auch diese dritte Seitenöffnung könnte durch eine entsprechende Blende, die dann auf geeignete Weise mit der Drosselklappe 9 gekoppelt ist, gesteuert werden.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Seitenöffnungen 13, 17 symmetrisch zueinander angeordnet, wobei sie sich parallel zur Drehachse 10 fluchtend gegenüberliegen.
Die Seitenführung der Drosselklappe 9 wird durch die zweite Seitenblende 19 zusätzlich verbessert.
Die hier gezeigte Ausführungsform zeigt eine weitere Besonderheit, da sich die Schwenkachse 10 außerhalb des Kanals 2 erstreckt. Die Lagerung der Drosselklappe 9 erfolgt mit Hilfe einer Lagerkonsole 20, die außen am Kanal 2, außen an der die Oberseite bildenden dritten Kanalwand 7 angeordnet ist. An der Lagerkonsole 20 ist eine Lagerwelle 2l drehbar gelagert, an der mittels Muttern 22 ein Arm 23 drehfest angebracht ist. Dieser Arm 23 durchdringt die dritte Kanalwand 7 in einem Schlitz 24 und ist mit der Drosselklappe 9 verbunden. Des Weiteren greift bei 25 eine Rückstellfeder 26 am Arm 23 an, die im übrigen zweckmäßig konzentrisch zur Lagerwelle 21 an der Lagerkonsole 20 angeordnet ist.
Die erste Seitenblende 15 ist hier ebenso wie die zweite Seitenblende 19 jeweils mit einer ersten Kante 27 bzw. 28 sowie mit einer zweiten Kante 29 bzw. 30 ausgestattet. Die Kanten 27 bis 30 sind zweckmäßig so an die Kinematik der Drosselklappe 9 angepasst, dass in der Schließstellung der Drosselklappe 9 die ersten Kanten 27, 28 der beiden Seitenblenden 15, 19 an der dritten Kanalwand 7 anliegen und dabei einen Endanschlag für die Stellbewegung der Drosselklappe 9 bilden. Mit anderen Worten, über die ersten Kanten 27, 28 der Seitenblenden 15, 19 wird die Schließstellung der Drosselklappe 9 definiert. Auf entsprechende Weise kommen die zweiten Kanten 29, 30 der Seitenblenden 15, 19 in der Offenstellung der Drosselklappe 9 ebenfalls an der dritten Kanalwand 7 zur Anlage und begrenzen dort nach Art eines Anschlags die Stellbewegung der Drosselklappe 9. Dementsprechend wird auch die Offenstellung der Drosselklappe 9 durch die zweiten Kanten 29, 30 der Seitenblenden 15, 19 definiert.
Die hier gezeigten Seitenblenden 15, 19 besitzen außerdem jeweils eine gekrümmte Außenkante 31 bzw. 32. Die Außenkanten 31, 32 sind dabei jeweils mit einem Krümmungsradius 33 versehen, der gleich groß ist wie der Abstand der jeweiligen Außenkante 31, 32 zur Schwenkachse 10 der Drosselklappe 9.
Entsprechend den 2 bis 5 umfasst ein erfindungsgemäßer Schalldämpfer 34 für eine, insbesondere ein Schalldämpfersystem umfassende, Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ein Gehäuse 35, in dem eine erste Kammer 36 und eine zweite Kammer 37 ausgebildet sind. Des Weiteren ist wenigstens ein Verbindungsrohr 38 vorgesehen, das die erste Kammer 36 mit der zweiten Kammer 37 kommunizierend verbindet. Über wenigstens ein Einlassrohr 39 kann eine Gasströmung, die den zu bedämpfenden Schall transportiert, in den Schalldämpfer 34 eintreten. Dabei kommuniziert dieses Einlassrohr 39 mit der ersten Kammer 36. Außerdem ist zumindest ein Auslassrohr 40 vorgesehen, durch das die Gasströmung aus dem Schalldämpfer 34 austreten kann. Dieses Auslassrohr 40 kommuniziert dabei mit der zweiten Kammer 37.
Der Schalldämpfer 34 charakterisiert sich dadurch, dass er außerdem wenigstens einmal die Vorrichtung 1 enthält und zwar so, dass der Kanal 2 der Vorrichtung 1 den Einlasskanal 39 des Schalldämpfers 34 bildet. Bei mehreren Einlasskanälen 39 ist zumindest einer durch den Kanal 2 gebildet, so dass die Vorrichtung 1 gegebenenfalls mehrmals vorhanden sein kann. Außerdem kommuniziert die wenigstens eine Seitenöffnung 13, 17 mit der zweiten Kammer 37. Mit Hilfe der Vorrichtung 1 können im Schalldämpfer 34 ein erster Strömungspfad 41 und ein zweiter Strömungspfad 42 realisiert werden.
Der erste Strömungspfad 41 umfasst innerhalb des Einlassrohrs 39 den ersten Strömungsweg 12 der Vorrichtung 2 und führt vom Kanalauslass 4 in den ersten Raum 36, von diesem durch das Verbindungsrohr 38 in den zweiten Raum 37 und von diesem durch das Auslassrohr 40 aus dem Schalldämpfer 34 heraus. Im Unterschied dazu gehört zum zweiten Strömungspfad 42 innerhalb der Vorrichtung 1 der zweite Strömungsweg 14. Der zweite Strömungspfad 42 führt von der jeweiligen Seitenöffnung 13, 17 zum zweiten Raum 37 und von diesem durch das Auslassrohr 40 aus dem Schalldämpfer 34 heraus. Der zweite Strömungsweg 42 des Schalldämpfers 34 ist somit erheblich kürzer und mit einem deutlich geringeren Strömungswiderstand versehen als der erste Strömungspfad 41.
Entsprechend 3 kann der Schalldämpfer 34 einen Bypass 43 aufweisen, der eine kommunizierende Verbindung zwischen der ersten Kammer 36 und einem Kanalabschnitt 44 schafft, der im Kanal 2 stromauf der Drosselklappe 9 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist dieser Bypass 43 durch eine Bypassleitung gebildet, die stromauf der Drosselklappe 9 an den Kanal 2 angeschlossen ist und außerdem in die erste Kammer 36 einmündet.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann dieser Bypass auch durch eine definierte Leckage gebildet sein, die eine Umströmung der Drosselklappe 9 auch in deren Schließstellung ermöglicht. Bei einer weiteren Alternative kann der Bypass auch durch eine Bypassöffnung gebildet sein, die in der Drosselklappe 9 ausgebildet ist und die somit in der Schließstellung der Drosselklappe 9 eine gewünschte Bypassströmung ermöglicht.
Entsprechend 4 kann bei einer weiteren Ausführungsform eine dritte Kammer 45 vorgesehen sein, die zwischen der ersten Kammer 36 und der zweiten Kammer 37 angeordnet ist. Das Verbindungsrohr 38 ist dann durch die dritte Kammer 45 dicht hindurchgeführt. Ebenso ist das Einlassrohr 39 bzw. der Kanal 2 durch diese Kammer 45 hindurchgeführt, so dass sich der Kanalauslass 4 wieder in der ersten Kammer 36 befindet.
Des Weiteren ist auch das Auslassrohr 40 durch die dritte Kammer 45 hindurchgeführt. Die dritte Kammer 45 ist zweckmäßig mit einem Absorbermaterial 46 gefüllt, das für Luftschall absorbierend wirkt. Damit der zu absorbierende Luftschall in das Absorbermaterial 46 eindringen kann, kann beispielsweise das Luftauslassrohr 40 innerhalb der dritten Kammer 45 eine für Luftschall durchlässige Wandung aufweisen, die beispielsweise durch ein Gitter oder durch eine Perforation 47 realisierbar ist. Zusätzlich kann ein Zwischenboden 48, der die zweite Kammer 37 von der dritten Kammer 45 trennt, ebenfalls für Luftschall durchlässig sein. Auch hierzu kann dieser Zwischenboden 48 z. B. mit einer entsprechenden Perforation versehen sein, die hier nicht näher bezeichnet ist.
Im Unterschied zu den Varianten der 2 bis 4 kann entsprechend 5 bei einer weiteren Ausführungsform des Schalldämpfers 34 anstelle des Verbindungsrohrs 38 zumindest ein weiteres Auslassrohr 40' vorgesehen sein, das jedoch nicht wie das andere Auslassrohr 40 mit der zweiten Kammer 37 kommuniziert, sondern mit der ersten Kammer 36. Dementsprechend wird hier ein modifizierter erster Strömungspfad 41' realisiert, der vom Kanal 2 in die erste Kammer 36 und von dieser durch das weitere Auslassrohr 40' aus dem Gehäuse 35 herausführt. Bei diesem Schalldämpfer 34 werden somit zwei völlig unterschiedliche Strömungspfade 42 und 41' mit Hilfe der Vorrichtung 1 gesteuert. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn sich an den gezeigten Schalldämpfer 34 innerhalb eines Schalldämpfersystems weitere 5challdämpfereinrichtungen anschließen, die den beiden Auslassrohren 40 und 40' unterschiedlich zugeordnet sein können.
Im übrigen kann das Gehäuse 35 mit einem oder mit mehreren Zwischenböden versehen sein. In den 2, 3 und 5 ist ein Zwischenboden 49 vorgesehen, der jeweils die erste Kammer 36 von der zweiten Kammer 37 trennt. Außerdem ist ein weiterer Zwischenboden 50 vorgesehen, der gasdurchlässig ausgestaltet ist und lediglich zur Aussteifung des Gehäuses 35 und zur Halterung des Auslassrohrs 40 und des Zwischenrohrs 38 dient. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß 4 ein weiterer Zwischenboden 51 vorgesehen, der die erste Kammer 36 von der dritten Kammer 45 trennt.
Im Diagramm gemäß 6 ist der von der Vorrichtung 1 durch den Kanalauslass 4 und die wenigstens eine Seitenöffnung 13, 17 bereitgestellte freie Strömungsquerschnitt F in Abhängigkeit des Massenstroms m durch die Vorrichtung 1 dargestellt. Bei einer Anwendung in einem Schalldämpfer 34, der in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, entspricht der Massenstrom m dem Lastzustand gekoppelt mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Das Diagramm enthält dabei drei Kurven, nämlich eine erste Kurve f₁, eine zweite Kurve f₂ sowie eine dritte Kurve f₃. Die erste Kurve f₁ repräsentiert den freien Querschnitt im ersten Strömungsweg 12 und korreliert somit mit der Drosselstellung der Drosselklappe 9. Im Unterschied dazu repräsen tiert die zweite Kurve f₂ den freien Querschnitt des zweiten Strömungswegs 14 und korreliert somit mit der Schwenkstellung der wenigstens einen Seitenblende 15, 19. Schließlich entspricht die dritte Kurve f₃ der Summe der beiden anderen Kurven f₁ und f₂. Somit repräsentiert die dritte Kurve f₃ den gesamten durchströmbaren Querschnitt der Vorrichtung 1.
Bei einem Massenstrom m₁, der sich beim Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine einstellt, ist die Drosselklappe 9 in ihrer Schließstellung. Der resultierende Strömungsquerschnitt entspricht dabei einer Leckage oder einem gezielten Bypass, der zum Strömungsquerschnitt des ersten Strömungswegs 12 gehört. Mit zunehmender Motorlast öffnet sich die Drosselklappe 9 aufgrund des steigenden Staudrucks und aufgrund der zunehmenden Strömungskräfte zunehmend. Bei einem Massenstrom m₂ ist die Steuerstellung der Drosselklappe 9 erreicht, bei der die wenigstens eine Seitenöffnung 13, 17 gerade noch verschlossen ist. Bei zunehmendem Massenstrom m wird durch die weitergehende Schwenkverstellung der Drosselklappe 9 die jeweilige Seitenöffnung 13, 17 zunehmend geöffnet, wodurch die zweite Kurve f₂ entsprechend ansteigt. Bemerkenswert ist dabei, dass der freie Querschnitt beim Öffnen der Seitenöffnung 13, 17 relativ stark zunimmt, während gleichzeitig der freie Querschnitt im ersten Strömungsweg 12 durch die Drosselklappe 9 deutlich schwächer zunimmt. Bei einem Massenstrom m₃ ist die Offenstellung der Drosselklappe 9 erreicht. Gleichzeitig ist dann auch die jeweilige Seitenöffnung 13, 17 maximal geöffnet, so dass bei weiter zunehmendem Massenstrom m der freie Querschnitt F entsprechend der dritten Kurve f₃ nicht weiter zunehmen kann, sondern konstant bleibt.
Zur Orientierung sind in das Diagramm außerdem ein Massenstrom m₄, der einem Schubbetrieb bei etwa 1.000 Umdrehungen pro Minute entspricht, ein Massenstrom m₅, der einem Schubbetrieb bei etwa 6.000 Umdrehungen pro Minute entspricht, ein Massenstrom m₆, der einem Volllastbetrieb bei etwa 1.000 Umdrehungen pro Minute entspricht und ein Massenstrom m₇ eingetragen, der einem Volllastbetrieb bei etwa 3.000 Umdrehungen pro Minute entspricht. Der Massenstrom m₃, bei dem die Drosselklappe 9 ihre Offenstellung erreicht, entspricht beispielsweise einem Volllastbetrieb bei etwa 6.000 Umdrehungen pro Minute.
Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anhand der 2 bis 5 im Rahmen einer bevorzugten Anwendung in einem Schalldämpfer 34 beschrieben worden ist, erfolgt dies ohne Beschränkung der Allgemeinheit. Insbesondere kann die Vorrichtung 1 auch für beliebige andere Anwendungen verwendet werden, bei denen ein Stoffstrom über zwei Strömungswege geführt werden muss. Beispielsweise kann die Vorrichtung als Verzweigung vor einem Wärmetauscher eingesetzt werden, der Abgaswärme in Kühlwasser einbringt und der nur bei niedrigen Massenströmen durchströmt werden soll. Bei höheren Massenströmen würde die Vorrichtung 1 dann das Abgas am Wärmetauscher vorbeilenken.
Ebenso ist es möglich, die Vorrichtung zum Steuern von Stoffströmen im Zusammenhang mit Reduktionsmitteln, wie Harnstoff oder Kraftstoff, zu verwenden. Ebenso kann die Vorrichtung 1 zum Steuern einer Aufheizung eines Teilstroms für eine Rußfilterregeneration genutzt werden.

Claims

Vorrichtung zum Drosseln eines ersten Strömungswegs (12) und zum Steuern eines zweiten Strömungswegs (14), – mit einem Kanal (2), der einen Kanaleinlass (3) und einen Kanalauslass (4) aufweist, – wobei der erste Strömungsweg (12) vom Kanaleinlass (3) zum Kanalauslass (4) führt, – wobei im Kanal (2) eine Drosselklappe (9) angeordnet ist, die zwischen einer Schließstellung, in welcher sie einen Strömungsquerschnitt des Kanals (2) minimiert, und einer Offenstellung, in welcher sie den Strömungsquerschnitt des Kanals (2) maximiert, verstellbar ist, – wobei die Drosselklappe (9) durch Staudruck und Strömungskräfte einer die Drosselklappe (9) beaufschlagenden Strömung (11) durch den ersten Strömungsweg (12) gesteuert ist, – wobei der Kanal (2) in einer ersten Kanalwand (5) wenigstens eine erste Seitenöffnung (13) aufweist, – wobei der zweite Strömungsweg (14) vom Kanaleinlass (3) zur ersten Seitenöffnung (13) führt, – wobei die Drosselklappe (9) an einer ersten Seitenkante (16) eine erste Seitenblende (15) aufweist, die fest mit der Drosselklappe (9) verbunden ist, – wobei sich die erste Seitenblende (15) entlang der ersten Kanalwand (5) erstreckt, – wobei die erste Seitenblende (15) die erste Seitenöffnung (13) von der Schließstellung bis zu einer ersten Steuerstellung der Drosselklappe (9) sperrt und von der ersten Steuerstellung bis zur Offenstellung der Drosselklappe (9) zunehmend freigibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kanal (2) in einer zweiten Kanalwand (6) wenigstens eine zweite Seitenöffnung (17) aufweist, – dass die Drosselklappe (9) an einer zweiten Seitenkante (18) eine zweite Seitenblende (19) aufweist, die fest mit der Drosselklappe (9) verbunden ist, – dass sich die zweite Seitenblende (19) entlang der zweiten Kanalwand (6) erstreckt, – dass die zweite Seitenblende (19) die zweite Seitenöffnung (17) von der Schließstellung bis zu einer zweiten Steuerstellung der Drosselklappe (9) sperrt und von der zweiten Steuerstellung bis zur Offenstellung der Drosselklappe (9) zunehmend freigibt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste Steuerstellung gleich der zweiten Steuerstellung ist, und/oder – dass der zweite Strömungsweg (14) auch vom Kanaleinlass (3) zur zweiten Seitenöffnung (17) führt, und/oder – dass die erste Seitenöffnung (13) der zweiten Seitenöffnung (17) symmetrisch gegenüberliegend angeordnet ist, und/oder – dass die erste Kanalwand (5) senkrecht zur Schwenkachse (10) der Drosselklappe (9) angeordnet ist, und/oder – dass die zweite Kanalwand (6) senkrecht zu einer Schwenkachse (10) der Drosselklappe (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (9) um eine im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des ersten Strömungswegs (12) verlaufende Schwenkachse (10) schwenkverstellbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass sich die Schwenkachse (10) der Drosselklappe (9) außerhalb des Kanals (2) erstreckt, – dass die Drosselklappe (9) mit einem Arm (23) verbunden ist, der sich durch eine Kanalwand (7) hindurch erstreckt, und der um die Schwenkachse (10) schwenkverstellbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste Seitenblende (15) eine erste Kante (27) aufweist, die in der Schließstellung der Drosselklappe (9) an einer quer zur ersten Kanalwand (5) verlaufenden Kanalwand (7) anliegt, und/oder – dass die erste Seitenblende (15) eine zweite Kante (29) aufweist, die in der Offenstellung der Drosselklappe (9) an einer quer zur ersten Kanalwand (5) verlaufenden Kanalwand (7) anliegt, und/oder – dass die zweite Seitenblende (19) eine erste Kante (28) aufweist, die in der Schließstellung der Drosselklappe (9) an einer quer zur zweiten Kanalwand (6) verlaufenden Kanalwand (7) anliegt, und/oder – dass die zweite Seitenblende (19) eine zweite Kante (30) aufweist, die in der Offenstellung der Drosselklappe (9) an einer quer zur zweiten Kanalwand (6) verlaufenden Kanalwand (7) anliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenblende (15) und/oder die zweite Seitenblende (19) bezüglich einer Schwenkachse (10) der Drosselklappe (9) radial außen eine gekrümmte Außenkante (31, 32) aufweist, deren Krümmungsradius (33) etwa gleich dem Abstand der Außenkante (31, 32) zur Schwenkachse (10) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung der Vorrichtung (1) in einem Schalldämpfer (34) für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit einer ersten Kammer (36), – mit einer zweiten Kammer (37), – mit wenigstens einem Einlassrohr (39), das in den Schalldämpfer (34) hineinführt und mit der ersten Kammer (36) kommuniziert, – mit wenigstens einem Auslassrohr (40), das aus dem Schalldämpfer (34) herausführt und mit der zweiten Kammer (37) kommuniziert, – wobei der Kanal (2) das Einlassrohr (39) bildet, – wobei die erste Seitenöffnung (13) und/oder die zweite Seitenöffnung (17) mit der zweiten Kammer (37) kommuniziert/kommunizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (43) vorgesehen ist, durch den die erste Kammer (36) bei in deren Schließstellung verstellter Dros selklappe (9) mit einem stromauf der Drosselklappe (9) angeordneten Kanalabschnitt (44) kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass der Bypass (43) durch eine Leckage der Drosselklappe (9) in deren Schließstellung gebildet ist, oder – dass der Bypass (43) durch eine in der Drosselklappe (9) ausgebildete Bypassöffnung gebildet, oder – dass der Bypass durch eine Bypassleitung (43) gebildet ist, die stromauf der Drosselklappe (9) an den Kanal (2) angeschlossen ist und die in der ersten Kammer (36) mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Auslassrohr (40') vorgesehen ist, das aus dem Schalldämpfer (34) herausführt und mit der ersten Kammer (36) kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbindungsrohr (38) vorgesehen ist, über das die erste Kammer (36) mit der zweiten Kammer (37) kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Kammer (36) und der zweiten Kammer (37) eine dritte Kammer (45) angeordnet ist, durch die das wenigstens eine Verbindungsrohr (38), das Einlassrohr (39) und das Auslassrohr (40) hindurchgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – dass die dritte Kammer (45) durch einen für Luftschall durchlässigen Zwischenboden (48) von der zweiten Kammer (37) getrennt ist, und/oder – dass das Auslassrohr (40) innerhalb der dritten Kammer (45) eine für Luftschall durchlässige Wandung aufweist, und/oder – dass die dritte Kammer (45) ein für Luftschall absorbierend wirkendes Absorbermaterial (46) enthält.