DE102007039003A1

DE102007039003A1 - Schnelle Regelklappe für große Gasströme

Info

Publication number: DE102007039003A1
Application number: DE102007039003A
Authority: DE
Inventors: Harald Reitz; Marcus Medenbach
Original assignee: Deutz Power Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-18
Also published as: DE102007039003B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mengensteuereinrichtung in einer Gasleitung 1 an einer Brennkraftmaschine, insbesondere an einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, zur Steuerung des Gasdurchsatzes mit zumindest einer auf einer drehbaren Klappenwelle 2 angeordneten Regelklappe 3, die je nach Stellung der Klappenwelle 2 den Gasdurchsatz festlegt. Erfindungsgemäß wird eine gattungsgemäße Mengensteuereinrichtung derart weitergebildet, dass die Lagerung der Klappenwellen äußere Zwänge wie wärmebedingten Längen- und Durchmesseränderungen oder einen Schichtaufbau durch Ablagerungen ausgleichen kann und damit für den Einsatz im Abgasbereich besonders geeignet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass jede Klappenwelle 2 axial und radial über Federelemente vorgespannt gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mengensteuereinrichtung in einer Gasleitung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere an einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, zur Steuerung des Gasdurchsatzes mit zumindest einer auf einer drehbaren Klappenwelle angeordneten Regelklappe, die je nach Stellung der Klappenwelle den Gasdurchsatz festlegt.
In der DE 10 2005 056 011 A1 ist Brennkraftmaschine beschrieben, bestehend aus einem Kurbelgehäuse mit zumindest einer einen Verbrennungsraum aufweisenden Zylinder-Zylinderkopf-Einheit, wobei dem Verbrennungsraum von einem Lader eines Abgasturboladers verdichtete Brennluft zuführbar ist. Die von dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagte Turbine des Abgasturboladers ist über einen über eine Mengensteuereinrichtung beherrschten Wastegatestrang umgehbar. Die Mengensteuereinrichtung ist nicht näher beschrieben. Aufgrund der im Abgasbereich herrschenden Temperaturen und Verschmutzungen unterliegen die Klappenwellen wärmebedingten und ablagerungsbedingten Belastungen, die zu Fehlfunktionen der Mengensteuereinrichtung und zu Verschleiß führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Mengensteuereinrichtung so weiterzubilden, dass die Lagerung der Klappenwelle äußere Zwänge, wie wärmebedingte Längen- und Durchmesseränderungen oder einem Schichtaufbau durch Ablagerungen ausgleichen kann und damit für den Einsatz im Abgasbereich besonders geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Klappenwelle axial und radial über Federelemente vorgespannt gelagert ist. Durch die Vorspannung kann die Lagerung der Klappenwellen in allen Richtungen äußeren Zwängen nachgeben und ist so für den Einsatz in verschmutzungsgefährdeten und sehr heißen Umgebungen, insbesondere dem Abgasbereich einer Brennkraftmaschine, besonders geeignet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist jedes Federelement eine Federpatrone auf, in der eine Feder eine Druckstange kraftbeaufschlagt, die an ihrem der Feder abgewandten Ende ein insbesondere sphärisches Druckstück aufweist, wobei das Druckstück der Kraftübertragung dient. Die Vorspannung wird also durch Federpatronen erreicht. Die Federpatronen enthalten jeweils eine entsprechend ausgelegte Feder, die über eine Druckstange und ein sphärisches Druckstück eine Vorspannkraft auf die Lagerung ausüben. Eine weitere Funktion der Federpatronen ist, dass die wärmeempfindlichen Federn von dem stärksten Wärmefluss räumlich durch die Druckstangen getrennt sind. Über die verhältnismäßig kleinen Querschnitte der Druckstangen wird der Wärmefluss zusätzlich gering gehalten. Die Federpatronen sind für Axial- und Radiallagerung Gleichteile und tragen so zu einer kostengünstigen Konstruktion bei.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorspannung der Federn in den Federpatronen über ein Einschraubgewinde mit Fixierung durch eine Kontermutter einstellbar. Hierdurch kann jede Federpatrone individuell an die notwendige Vorspannung angepasst werden.
In Weiterbildung der Erfindung werden die Klappenwellen axial über die Federelemente mit einem Anlaufbund gegen in das Klappengehause eingesetzte Bundbuchsen gedrückt.
Dabei greift das sphärische Druckstück vorteilhaft in eine an der Stirnseite der Klappenwelle eingebrachte Ausnehmung drückend ein.
Der Anlaufbund und der Buchsenbund sind leicht sphärisch ausgeführt, um gegenüber einem Winkelversatz der Klappenwelle tolerant zu sein. Die sphärische Kontaktstelle zwischen Klappenwelle und Gehäuse dient gleichzeitig als Abdichtung gegenüber der Umgebung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Klappenwellen radial über Schlepphebel in gehäuseseitige Lagerstellen gedrückt, wobei die Schlepphebel über die Federelemente kraftbeaufschlagt sind.
In Weiterbildung der Erfindung stützt sich der kraftbeaufschlagte Schlepphebel mit seinem Drehpunkt in einer gehäuseseitigen Lagerpfanne ab.
Jeder Schlepphebel wird über die Druckstangen der Federpatronen auf den freiliegenden Teil der Wellenstümpfe der Klappenwellen gedrückt. Dabei sind die insbesondere zwei festen Lagerstellen so ausgelegt, dass sie die radiale Hauptbelastung der Klappenwellen aufnehmen können. Das so vorgespannte Radiallager kann zusätzlich durch thermische Verformungen auch einem Schichtaufbau auf dem Wellenstumpf und einer geometrischen Abweichung der Achslage durch Nachgeben des Schlepphebels ausweichen.
In weiterer Ausgestaltung weisen die Federn eine flache Kennlinie auf, damit eine "unempfindliche" Charakteristik gegeben ist, d. h. bei Setz- und Verzugsvorgängen bleibt die effektive Federkraft in etwa konstant. Dies wird in der Praxis durch möglichst lange Federn erreicht.
In Ausgestaltung der Erfindung bestimmen drei jalousieartig auf je einer Klappenwelle angeordnete und verbundene Regelklappen den Gasdurchsatz. Hierdurch lässt sich ein großer Gasstrom mit kurzer Reaktionszeit regulieren. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass die Regelklappen ein geringes Massenträgheitsmoment haben und somit das Antriebsmoment des Aktuators gering sein kann. Das Massenträgheitsmoment der drei Einzel-Regelklappen beträgt nur ungefähr das 0,12-fache des Massenträgheitsmoments einer flächengleichen Einzel-Regelklappe. Die Einzel-Regelklappen sind in einem Klappengehäuse gelagert. Der eine Teil der Lagerung ist dabei in einem separaten Lagergehäuse angeordnet. Das Lagergehäuse wird mit einem Abschlussdeckel verschlossen.
Die Mengensteuereinrichtung wird insbesondere als Wastegateklappe verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Baugruppe Mengensteuereinrichtung/Regelklappe in einer Gasleitung,
2 den Antrieb der Regelklappen der Mengensteuereinrichtung gemäß 1,
3 einen Längsschnitt durch die Klappenwellen gemäß 1 und
4 einen Querschnitt durch die Lagerung der Klappenwellen gemäß 1.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Mengensteuereinrichtung 1 zum Einbau in einer Gasleitung. Die Mengensteuereinrichtung 1 weist jalousieartig drei Regelklappen 3 als Einzelklappen auf, die je auf einer Klappenwelle (2 bis 4) angeordnet sind.
Die übergeordnete Funktion der Mengensteuereinrichtung besteht darin, einen großen Gasstrom mit kurzer Reaktionszeit zu regulieren. Die wesentliche Anforderung an diese Mengensteuereinrichtung ist, dass die Regelklappen 3 ein geringes Massenträgheitsmoment haben, damit das Antriebsmoment des Aktuators zur Verstellung der Regelklappen möglichst gering sein kann. Dies wird durch die jalousieartige Anordnung und Verschaltung von drei Regelklappen 3 als Einzelklappen (2) erreicht. Das Massenträgheitsmoment der drei Regelklappen 3 als Einzelklappen beträgt nur das 0,12-fache des Massenträgheitsmoments einer flächengleichen Einzelklappe. Die Regelklappen 3 sind in einem Klappengehäuse 11 angeordnet, wobei die erfindungsgemäße Lagerung in einem mit dem Klappengehäuse 11 zusammenwirkenden Lagergehäuse 15 und einem das Lagergehäuse 15 verschließenden Abschlussdeckel 16 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist jede Klappenwelle 2 axial und radial über Federelemente vorgespannt gelagert. Dies wird in den folgenden Figuren im Einzelnen beschrieben. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Federelemente als Federpatronen 4 ausgebildet, wobei alle Federpatronen 4 Gleichteile sind.
2 zeigt als Detailansicht die gemeinsame Betätigung der Regelklappen 3. Die Regelklappen 3 sind jeweils auf einer Klappenwelle angeordnet die axial und radial über die Federelemente 4 vorgespannt gelagert ist. Verstellt werden die Klappenwellen 2 auf der ge genüberliegenden Seite zu den Federelementen 4 von einem nicht dargestellten Aktuator, der auf ein Betätigungsorgan 17 einwirkt, welches über Stellstangen 18 mit den einzelnen Klappenwellen so verbunden ist, dass eine Stellbewegung des Betätigungsorgans 17 jalousieartig alle drei Klappenwellen 2 und damit alle drei Regelklappen 3 verstellt.
3 zeigt einen Längsschnitt durch die Mengensteuereinrichtung 1 mit den Klappenwellen 2, die axial über die Federpatronen 4 mit einem Anlaufbund gegen in das Klappengehäuse 11 eingesetzte Bundbuchsen 10 gedrückt werden. Der Anlaufbund und der Buchsenbund 10 sind jeweils leicht sphärisch ausgeführt, um gegenüber einem Winkelversatz der Klappenwelle 2 tolerant zu sein. Die sphärische Kontaktstelle zwischen den Klappenwellen 2 und Klappengehäuse 11 dient gleichzeitig als Abdichtung gegenüber der Umgebung.
In den Federpatronen 4 ist jeweils eine Feder 5 angeordnet, die eine Druckstange 6 kraftbeaufschlagt, die an ihrem der Feder 5 abgewandten Ende ein sphärisches Druckstück 7 aufweist, welches zur Kraftübertragung dient. Dieses Druckstück 7 greift für die axiale Festlegung der Klappenwelle 2 kraftübertragend in eine Ausnehmung 12 in der Stirnseite der Klappenwelle 2 ein. Klappenwelle 2 und Federpatrone 4 liegen in einer Flucht. Die Federpatronen 4 bzw. die Vorspannung der Federn 5 sind über ein Einschraubgewinde 8 einstellbar und werden über eine Kontermutter 9 fixiert.
4 zeigt anhand eines Querschnitts die Radiallagerung der Klappenwellen 2. Die Klappenwellen 2 werden radial über Schlepphebel 14 in gehäuseseitige Lagerstellen 13 gedrückt. Die kraftbeaufschlagten Schlepphebel 14 liegen jeweils mit ihrem Drehpunkt in einer gehäuseseitigen Lagerpfanne 20 und werden durch die federbelastete Druckstange 6 der Federpatrone 4 auf den freiliegenden Teil des Wellenstumpfes der Klappenwellen 2 gedrückt. Hierzu greift das sphärische Druckstück 7 der Druckstange 6 in eine an das Druckstück 7 angepasste Ausnehmung 19 im Schlepphebel 14 ein. Gleiche Bezugszeichen in den 3 und 4 bezeichnen auch gleiche Teile, so werden hier die Federpatronen 4 nicht mehr im Einzelnen beschrieben, da sie mit denen in 3 gezeigten identisch sind.
Die festen Lagerstellen 13 sind so ausgelegt, dass sie die radiale Hauptbelastung der Klappenwellen 2 aufnehmen können. Das durch den kraftbeaufschlagten Schlepphebel 14 vorgespannte Radiallager kann hier auch einem Schichtaufbau auf dem Wellenstumpf und einer geometrischen Abweichung der Achslage durch Nachgeben des Schlepphebels 14 ausweichen.

1: Mengensteuereinrichtung
2: Klappenwelle
3: Regelklappe
4: Federpatrone
5: Feder
6: Druckstange
7: Druckstück
8: Einschraubgewinde
9: Kontermutter
10: Bundbuchsen
11: Klappengehäuse
12: Ausnehmung
13: Schlepphebel
14: kraftbeaufschlagter Schlepphebel
15: Lagergehäuse
16: Abschlussdeckel
17: Betätigungsorgan
18: Stellstangen
19: Ausnehmung im Schlepphebel
20: Lagerpfanne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005056011 A1 [0002]

Claims

Mengensteuereinrichtung in einer Gasleitung (1) an einer Brennkraftmaschine, insbesondere an einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, zur Steuerung des Gasdurchsatzes mit zumindest einer auf einer drehbaren Klappenwelle (2) angeordneten Regelklappe (3), die je nach Stellung der Klappenwelle (2) den Gasdurchsatz festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (2) axial und radial über Federelemente vorgespannt gelagert ist.
Mengensteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federelement eine Federpatrone (4) aufweist, in der eine Feder (5) eine Druckstange (6) kraftbeaufschlagt, die an ihrem der Feder (5) abgewandten Ende ein insbesondere sphärisches Druckstück (7) aufweist.
Mengensteuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Feder (5) über ein Einschraubgewinde (8) mit Fixierung durch eine Kontermutter (9) einstellbar ist.
Mengensteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (2) axial über das Federelement mit einem Anlaufbund gegen eine in das Klappengehäuse (11) eingesetzte Bundbuchse (10) gedrückt wird.
Mengensteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Druckstück (7) in eine an der Stirnseite der Klappenwelle (2) eingebrachte Ausnehmung (12) eingreift.
Mengensteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (2) radial über einen Schlepphebel (14) in gehäuseseitige Lagerstellen (13) gedrückt wird, wobei der Schlepphebel (14) über das Federelement kraftbeaufschlagt ist.
Mengensteuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlepphebel (14) sich mit seinem Drehpunkt in einer gehäuseseitigen Lagerpfanne abstützt.
Mengensteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (5) eine flache Kennlinie aufweisen.
Mengensteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass drei Regelklappen (3) auf je einer Klappenwelle (2) jalousieartig angeordnet den Gasdurchsatz bestimmen.
Mengensteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verwendung als Wastegateklappe.