DE102009049614A1

DE102009049614A1 - Abgasrückführungsventil

Info

Publication number: DE102009049614A1
Application number: DE102009049614A
Authority: DE
Inventors: H.-Christoph Dr. Hoßfeld; Wolfgang Dr. Hahnl; Boris Kienle; Marco Ranalli; Klaus Regenold
Original assignee: Emcon Technologies Germany Augsburg GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Ein Abgasrückführungsventil (10) zur Steuerung eines Abgasvolumenstroms, der zu einer Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt werden soll, umfasst einen Abgaseinlass (16), der eine Einlassrichtung A definiert, einen Abgasauslass (18) und einen Rückführauslass (20). Das Abgasrückführungsventil (10) umfasst ferner eine verstellbare Ventilklappe (22) zur Einstellung der Öffnungsquerschnitte des Abgasauslasses (18) und des Rückführauslasses (20). Die Ventilklappe (22) ist ausgehend von einer ersten Stellung, in der der Rückführauslass (20) geschlossen und der Abgasauslass (18) geöffnet ist, durch Bewegung in eine erste Richtung C in eine zweite Stellung überführbar, in der der Rückführauslass (20) wenigstens teilweise geöffnet ist. Die Ventilklappe (22) ist relativ zum Abgaseinlass (16) so angeordnet, dass sich ein spitzer Winkel α, den die Ventilklappe (22) in der ersten Stellung mit der Einlassrichtung A einschließt, durch die Bewegung der Ventilklappe (22) in die erste Richtung C verkleinert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführungsventil zur Steuerung eines Abgasvolumenstroms, der zu einer Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt werden soll.
Moderne Fahrzeuge verfügen über eine Abgasanlage mit einer an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Abgasrückführungsvorrichtung, die zur Reduzierung der bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehenden Stickoxide dient. In bestimmten Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine wird ein Teil des Abgases der angesaugten Frischluft beigemengt, da ein Gemisch aus Frischluft und Abgas einen, bezogen auf das Volumen, niedrigeren Sauerstoffgehalt besitzt, sodass im Brennraum nicht mehr die für die Stickoxidbildung erforderliche Temperatur erreicht wird. Eine noch bessere Reduzierung von Stickoxiden kann erreicht werden, indem das Abgas vor der Beimengung in einem Abgasrückführungskühler gekühlt wird.
Die Abgasrückführung erfolgt über eine Rückführleitung, die vom Abgasstrang abzweigt und zum Ansaugkanal führt, über den die Frischluft zur Verbrennungskraftmaschine gefördert wird. Ein Abgasrückführungsventil steuert den Abgasvolumenstrom durch die Rückführleitung. Die Abgasrückführrate ist abhängig vom Druckgefälle zwischen Abgasstrang und Ansaugkanal, d. h. der durch das Abgasrückführungsventil verursachte Druckverlust im Abgasstrang verringert die Abgasrückführrate in unerwünschter Weise.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und langlebiges Abgasrückführungsventil zu schaffen, das eine verbesserte Abgasrückführrate ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Abgasrückführungsventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Abgasrückführungsventil zur Steuerung eines Abgasvolumenstroms, der zu einer Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt werden soll, umfasst einen Abgaseinlass, der eine Einlassrichtung definiert, einen Abgasauslass und einen Rückführauslass. Das Abgasrückführungsventil umfasst ferner eine verstellbare Ventilklappe zur Einstellung der Öffnungsquerschnitte des Abgasauslasses und des Rückführauslasses. Die Ventilklappe ist ausgehend von einer ersten Stellung, in der der Rückführauslass geschlossen und der Abgasauslass geöffnet ist, durch Bewegung in eine erste Richtung in eine zweite Stellung überführbar, in der der Rückführauslass wenigstens teilweise geöffnet ist. Die Ventilklappe ist relativ zum Abgaseinlass so angeordnet, dass sich ein spitzer Winkel α, den die Ventilklappe in der ersten Stellung mit der Einlassrichtung einschließt, durch die Bewegung der Ventilklappe in die erste Richtung verkleinert.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Druckverlust bei einem Abgasrückführungsventil, das als 3-Wege-Ventil mit einstellbarer Ventilklappe ausgeführt ist, von der Fläche der Ventilklappe abhängt, die während der Abgasrückführung vom Abgasstrom beaufschlagt wird. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion steht die Ventilklappe, während sie den Abgasstrom in zwei Teile splittet, in einem spitzen Winkel oder idealerweise parallel zur Einlassrichtung, sodass die beaufschlagte Klappenfläche und damit der Druckverlust minimal sind. Die erfindungsgemäße Konstruktion hat zudem im Vergleich zu herkömmlichen Klappenventilen, die zur Abgasrückführung eingesetzt werden, den Vorteil, dass geringere Kräfte auf die Lager der Ventilklappe ausgeübt werden und die zur Einstellung der Klappenposition erforderlichen Stellkräfte bzw. -momente geringer sind.
Als Form für die Ventilklappe kommt allgemein die Form eines Kegelschnitts in Betracht. Die Fläche der Ventilklappe sollte so klein wie möglich sein. In einem typischen Abgasrückführventilaufbau mit kreisförmigen Ein- und Auslässen, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, erweist sich eine Ventilklappe mit der Form einer Ellipse als vorteilhaft, deren Nebenachse b um einen Faktor kürzer als die Hauptachse a ist, der zwischen 0,6 und 0,8 liegt und vorzugsweise 1/√ 2 beträgt.
Ein Problem bei Abgasrückführungsventilen mit einem an die Ventilklappe gekoppelten Stellantrieb ist der unerwünschte Einfluss des heißen Abgasstroms auf den Betrieb und die Langlebigkeit der Komponenten des Stellantriebs. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils weisen deshalb neben einem Stellantrieb zum Verstellen der Ventilklappe eine Dichtungsanordnung zum Schutz des Stellantriebs auf. Die Dichtungsanordnung schützt den Stellantrieb vor einem Kontakt mit heißen Abgasen und kann darüber hinaus als thermische Isolierung dienen.
Der bevorzugte Aufbau des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils sieht eine die Ventilklappe tragende Welle vor, die aus einem eine Ventilkammer umgebenden Ventilgehäuse herausgeführt und an den Stellantrieb gekoppelt ist, wobei die Dichtungsanordnung die Welle gegen das Ventilgehäuse abdichtet.
Eine kompakte Bauform ergibt sich dadurch, dass die Dichtungsanordnung in ein die Welle aufnehmendes Lager integriert ist und eine Spanneinrichtung aufweist, vorzugsweise mit einer Feder, die die Welle axial in eine Dichtstellung vorspannt.
Die gewünschte Dichtwirkung wird bei dieser Bauform erreicht, indem die Welle in der Dichtstellung wenigstens ein Dichtelement gegen einen relativ zum Ventilgehäuse axial unbeweglichen Stützabschnitt drückt.
Hierzu kann die Welle einen Absatz oder eine Verdickung oder einen Ring aufweisen, der bzw. die in der Dichtstellung am Dichtelement angreift.
Vorzugsweise weist das Dichtelement oder der Absatz der Welle eine Fase auf, sodass in der Dichtstellung idealerweise ein Linienkontakt zwischen dem Absatz und dem Dichtelement vorliegt.
Die Spanneinrichtung kann in vorteilhafter Weise auch dazu genutzt werden, die Welle in Drehrichtung in eine Ausgangsstellung vorzuspannen. Die Spanneinrichtung ermöglicht so die Verwirklichung einer Fail-Safe-Funktion, ohne dass hierfür zusätzliche Bauteile nötig wären.
Die Fail-Safe-Funktion kann auf einfache Weise praktisch umgesetzt werden, indem eine Feder der Spanneinrichtung einerseits drehfest an die Welle und andererseits an ein nicht mit der Welle drehendes Bauteil gekoppelt wird.
Eine gute Dichtwirkung kann mit einer Dichtungsanordnung erreicht werden, die wenigstens zwei auf der Welle axial übereinander angeordnete Dichtringe aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die übereinander angeordneten Dichtringe unterschiedliche Innen- und/oder Außendurchmesser auf um ein Blockieren innerer und äußerer Strömungswege durch das Lager sicherzustellen.
Die übereinander angeordneten Dichtringe können auch nach Art einer Labyrinthdichtung zwischen axial beabstandeten Stützabschnitten angeordnet sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Dichtungsanordnung zwei auf der Welle axial übereinander angeordnete Kegelbuchsen auf, zwischen denen ein Dichtring aufgenommen ist.
Eine weitere bevorzugte Möglichkeit zur Abdichtung der Welle und des Lagers ist eine Dichtungsanordnung, die einen auf der Welle angeordneten Dichtring aufweist, der gegen ein Gleitlager drückt, in dem die Welle aufgenommen ist.
Der Dichtring kann bei einer solchen Dichtungsanordnung durch Löten oder durch einen Presssitz auf der Welle befestigt sein.
Eine zusätzliche oder alternative Maßnahme zum Schutz eines zum Verstellen der Ventilklappe vorgesehenen Stellantriebs ist das Vorsehen einer aktiven Kühleinrichtung. Der Vorteil der aktiven Kühleinrichtung liegt darin, dass das Abgasrückführungsventil höheren Umgebungstemperaturen standhalten kann. Die aktive Kühleinrichtung kann an einen bestehenden Kühlkreislauf im Fahrzeug gekoppelt sein, insbesondere an einen für einen Abgaskühler vorgesehenen Kühlkreislauf. In diesem Fall ist kein separater Kühlkreislauf für den Stellantrieb erforderlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der aktiven Kühleinrichtung sind Komponenten des Stellantriebs auf einer Platte angeordnet, die unter Verwendung eines strömenden Kühlmittels gekühlt wird.
Noch effizienter ist eine Kühlung des Stellantriebs, bei der eine von den äußeren Bedingungen weitgehend unabhängige, gekühlte Umgebung für den Stellantrieb geschaffen wird, indem die Komponenten des Stellantriebs durch ein Gehäuse abgedeckt sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1a und 1b eine Prinzipskizze eines nicht-erfindungsgemäßen 3-Wege-Abgasrückführungsventils bzw. eines erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
4 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
5 eine Detail-Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
6 eine Detail-Schnittansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
7 eine Detail-Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils; und
8 eine Draufsicht auf die Feder des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils;
9 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils mit aktiver Kühlung.
In den 1a und 1b ist jeweils die Anordnung eines Abgasrückführungsventils 10' bzw. 10 im Abgasstrang 12 einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Entlang des Abgasstrangs 12 sind in der Regel mehrere Abgasanlagenbauteile angeordnet, wie z. B. ein Turbolader, eine Katalysator, ein Dieselpartikelfilter und ein Schalldämpfer. Das Abgasrückführungsventil 10' bzw. 10 kann stromabwärts eines Dieselpartikelfilters eingebaut sein (Niederdruck-Abgasrückführung), es ist aber auch eine Anordnung an einer anderen Stelle im Abgasstrang 12 möglich. Mithilfe des Abgasrückführungsventils 10' bzw. 10 kann ein Teil des Abgasstroms (theoretisch zwischen 0% und 100%) über eine Rückführleitung 14 zu einem Ansaugkanal umgeleitet werden, in dem Frischluft zur Verbrennungskraftmaschine gefördert wird.
Die Abgasrückführungsventile 10' bzw. 10, die in den 1a und 1b nur schematisch dargestellt sind, sind 3-Wege-Ventile mit einem Abgaseinlass 16, einem Abgasauslass 18 und einem Rückführauslass 20. Der Abgaseinlass 16 und der Abgasauslass 18 sind Teil des Hauptabgasstrangs 12, wobei der Abgaseinlass 16 auf die Strömungsrichtung A des Abgases abgestimmt ist und eine Einlassrichtung definiert, die mit der Strömungsrichtung A übereinstimmt. Der Rückführauslass 20 mündet in die Rückführleitung 14.
Wesentlicher Bestandteil der Abgasrückführungsventile 10' bzw. 10 ist eine verstellbare Ventilklappe 22 zur Einstellung der Öffnungsquerschnitte des Abgasauslasses 18 und des Rückführauslasses 20. Im dargestellten Beispiel ist die Ventilklappe 22 drehbar gelagert und kann von der in den 1a und 1b gezeigten ersten Stellung, in der der Rückführauslass 20 geschlossen und der Abgasauslass 18 geöffnet ist, in eine zweite Stellung überführt werden, in der der Rückführauslass 20 wenigstens teilweise geöffnet ist. Die zweite Stellung soll repräsentativ für alle Stellungen stehen, in denen bei (teilweise) geöffnetem Rückführauslass 20 der Abgasauslass 18 noch nicht vollständig geschlossen ist.
Die beiden Abgasrückführungsventile 10' und 10 unterscheiden sich wie folgt. Um einen Teil des Abgasvolumenstroms in die Rückführleitung 14 abzuzweigen, wird bei dem in 1a gezeigten nicht-erfindungsgemäßen Umlenkventil 10' die Ventilklappe 22 ausgehend von der ersten Stellung gegen den Uhrzeigersinn (Pfeil B) in die zweite Stellung gedreht. Dadurch öffnet sich ein zusätzlicher Strömungsweg vom Abgaseinlass 16 zum Rückführauslass 20. Die Ventilklappe 22 kann theoretisch so weit gedreht werden, bis der Rückführauslass 20 vollständig geöffnet und der Abgasauslass 18 vollständig geschlossen ist.
Die Betätigung des in 1b gezeigten erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils 10 ist ähnlich, jedoch erfolgt das Verstellen der Ventilklappe 22 ausgehend von der ersten Stellung in umgekehrter Richtung (Pfeil C). Die Ventilklappe 22 wird im Uhrzeigersinn gedreht, sodass sie den Abgasstrom in der zweiten Stellung wie ein Messer in zwei Teile ”zerschneidet”.
Die Fläche der Ventilklappe 22, die in der zweiten Stellung von dem durch den Abgaseinlass 16 in Einlassrichtung A einströmenden Abgasstrom beaufschlagt wird, ist beim erfindungsgemäßen Ventil 10 wesentlich kleiner als beim nicht-erfindungsgemäßen Ventil 10'. Dies zeigt sich besonders deutlich, wenn man die Ventilklappen 22 jeweils in einer Stellung betrachtet, die eine Aufteilung des Abgasstroms in zwei gleich große Anteile bewirkt. Hierzu muss in beiden Fällen die Ventilklappe 22 um etwa 45° gedreht werden. Beim nicht-erfindungsgemäßen Ventil 10', bei dem die Drehung gegen den Uhrzeigersinn erfolgt, steht die Ventilklappe 22 dann senkrecht zur Einlassrichtung A, während die Ventilklappe 22 beim erfindungsgemäßen Ventil 10, bei dem die Drehung im Uhrzeigersinn erfolgt, parallel zur Einlassrichtung A orientiert ist.
Die erfindungsgemäße Drehung der Ventilklappe 22 lässt sich allgemein charakterisieren durch eine Verkleinerung des spitzen Winkels α, den die Ventilklappe 22 in der ersten Stellung mit der Einlassrichtung A einschließt, wogegen sich der stumpfe Nebenwinkel β vergrößert. Selbstverständlich nimmt der Absolutwert des Winkels α wieder zu, wenn die Ventilklappe 22 über die oben beschriebene Parallelstellung hinaus bewegt wird. Entscheidend ist aber, dass ausgehend von der ersten Stellung bei einer Verstellung der Ventilklappe 22 der spitze Winkel α und damit die vom Abgasstrom beaufschlagte Fläche der Ventilklappe 22 zunächst abnimmt. Vorzugsweise nimmt die Ventilklappe 22 in einem typischen Abgasrückführ-Betriebszustand eine Stellung ein, in der diese Fläche minimal ist.
In den 2 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasrückführungsventils 10 dargestellt, die sich im Wesentlichen nur hinsichtlich der Dichtung unterscheiden. Für diejenigen Bauteile und Komponenten der verschiedenen Ausführungsformen, die die gleiche Funktion haben, wurden deshalb trotz möglicher Abweichungen in der konkreten Ausgestaltung die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Alle Ausführungsformen des Abgasrückführungsventils 10 umfassen ein Ventilgehäuse 24, das eine Ventilkammer 26 umgibt. In die Ventilkammer 26 münden der Abgaseinlass 16, der Abgasauslass 18 und der Rückführauslass 20 (nicht sichtbar). Inder Ventilkammer 26 ist eine Ventilklappe 22 mit zwei Flügeln 22a, 22b angeordnet, die sich in einer Ebene von einer Welle 28 senkrecht zu deren Drehachse D erstrecken. Die Welle 28 ist am Ventilgehäuse 24 gelagert und kann mithilfe eines Antriebs in die oben erläuterten Stellungen gedreht werden.
Die Ventilklappe 22 hat allgemein die Form eines Kegelschnitts. In den bevorzugten Ausführungsformen hat die Ventilklappe 22 die Form einer Ellipse mit einer längeren Hauptachse a, die entlang der Drehachse D der Welle 28 verläuft, und einer dazu senkrechten kürzeren Nebenachse b. Der Faktor, um den die Nebenachse b kürzer als die Hauptachse a ist, liegt vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,8 und beträgt idealerweise 1/√ 2 .
Die Welle 28 ist auf einer Seite des Ventilgehäuses 24 in einem ersten als Gleitlager 30 ausgebildeten Lager 32 mit einer am Ventilgehäuse 24 befestigten ersten Lagerbuchse 34 aufgenommen. Eine mit der ersten Lagerbuchse 34 verbundene (also nicht mit der Welle 28 mitdrehende) stirnseitige erste Abdeckung 36 erlaubt ein axiales Spiel der Welle 28. Das andere Ende der Welle 28 ist auf der entgegengesetzten Ventilgehäuseseite in einem zweiten Lager 38 aufgenommen und an einen Stellantrieb gekoppelt. Der Stellantrieb umfasst einen Elektromotor, der über einen Hebelarm 40 an der Welle 28 angreift, sowie elektronische Komponenten für den Betrieb und die Steuerung bzw. Regelung des Elektromotors.
Das zweite Lager 38 ist ebenfalls als Gleitlager 42 mit einer am Ventilgehäuse 24 befestigten zweiten Lagerbuchse 44 ausgebildet und umfasst eine Dichtungsanordnung, die den Stellantrieb vor den heißen Abgasen schützt und gleichzeitig eine thermische Isolierung darstellt. Wie beim ersten Lager 32 ist eine stirnseitige zweite Abdeckung 46 vorgesehen, die aber drehfest an der Welle 28 angebracht ist (z. B. durch Schweißen) und zusätzlich als axiale Abstützung für eine Feder 48 dient, die zu einer Spanneinrichtung gehört. Die in 8 in Draufsicht gezeigte Feder 48 ist eine Schraubenfeder mit einem ersten Ende, das mit der zweiten Abdeckung 46 verbunden ist, und einem zweiten Ende, das an einem über dem eigentlichen Gleitlager 42 gehäusefest angeordneten Stützabschnitt 50 befestigt ist. Der Stützabschnitt 50 dient gleichzeitig als Axialkräfte-aufnehmendes Widerlager für das Gleitlager 42 und kann beispielsweise eine senkrecht zur Drehachse D angeordnete Metallplatte sein.
Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform ist auf der dem Ventilgehäuse 24 zugewandten Seite des Gleitlagers 42 auf der Welle 28 ein Dichtelement 52 in Form eines Dichtrings angeordnet. Das Dichtelement 52 hat auf der Innenseite unten eine Fase 54. Diese unter einem Winkel von etwa 45° geneigte Fläche liegt einem außerhalb des Ventilgehäuses 24 gebildeten Absatz 56 der Welle 28 gegenüber. Oberhalb des Absatzes 56, d. h. auf der vom Ventilgehäuse 24 abgewandten Seite, hat die Welle 28 einen geringeren Durchmesser als unterhalb des Absatzes. Der Absatz 56 selbst kann eine scharfe oder eine leicht abgerundete Kante aufweisen.
Die Spanneinrichtung mit der Feder 48 erfüllt zwei Aufgaben. Zum einen zieht sie die zweite Abdeckung 46 und damit die Welle 28 nach oben. Dies hat zur Folge, dass der Absatz 56 der Welle 28 gegen das Dichtelement 52 drückt, genauer gesagt gegen dessen Fase 54 wobei idealerweise ein Linienkontakt zwischen dem Absatz 56 und dem Dichtelement 52 vorliegt. Selbstverständlich kann auch der Absatz 56 die Fase 54 aufweisen und das Dichtelement 52 eine (abgerundete) Kante aufweisen. Die vom Dichtelement 52 in das Gleitlager 42 eingeleitete axiale Kraft wird von dem als Widerlager dienenden Stützabschnitt 50 aufgenommen. In dieser Dichtstellung ist eine permanente Abdichtung der Welle 28 zum Schutz des Stellantriebs hergestellt.
Zum anderen ist die Feder 48 der Spanneinrichtung mit ihren Enden so befestigt, dass sie ohne Einwirkung des Stellantriebs die zweite Abdeckung 46 und damit die Welle 28 und die Ventilklappe 22 relativ zum Ventilgehäuse 24 selbsttätig in eine Stellung dreht, die der in 1b gezeigten Ausgangsstellung entspricht. Bei einem Ausfall des Stellantriebs ist somit sichergestellt, dass das Abgasrückführungsventil 10 den Abgasstrom vollständig durch den Abgasauslass 18 ausströmen lässt (Fail-Safe-Funktion).
In einer Ausführungsvariante, in der diese Fail-Safe-Funktion nicht vorgesehen ist oder auf andere Weise erreicht wird, ist die zweite Abdeckung 46 nicht drehfest mit der Welle 28 verbunden.
Die beiden oben beschrieben Funktionen (Abdichtung und Drehen der Welle 28 in die Ausgangsstellung) sind auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der 3 bis 7 verwirklicht, wobei auch hier Ausführungsvarianten ohne die Fail-Safe-Funktion möglich sind, bei denen die zweite Abdeckung 46 nicht drehfest mit der Welle 28 verbunden ist.
Die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform weist eine Dichtungsanordnung mit zusätzlichen Dichtelementen in Form zweier auf der Welle 28 axial übereinander angeordneter Dichtringe 58, 60 auf, die nachfolgend als innerer Dichtring 58 bzw. äußerer Dichtring 60 bezeichnet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dichtringe 58, 60 zwischen dem Gleitlager 42 und dem als Widerlager dienenden Stützabschnitt 50 angeordnet.
Die Dichtringe 58, 60 haben unterschiedliche Toleranzen bezügliche ihres Innen- und/oder Außendurchmessers, d. h. in der Praxis, dass Innen- und/oder Außendurchmesser der Dichtringe 58, 60 unterschiedlich groß sind. Der innere Dichtring 58 ist in erster Linie so dimensioniert, dass seine Innenseite an der Welle 28 anliegt, genauer gesagt, am oberen Abschnitt mit dem kleineren Radius. Der äußere Dichtring 60 ist in erster Linie so dimensioniert, dass seine Außenseite an der Lagerbuchse 44 anliegt. Neben dem am Absatz 56 der Welle 28 angreifenden Dichtelement 52 sorgen die beiden zusätzlichen Dichtringe 58, 60 aufgrund ihrer radialen Überlappung für eine innere und äußere Abdichtung der Welle 28 im Lager 38.
Die Dichtringe 58, 60 müssen nicht notwendigerweise direkt übereinander liegen, aber in jedem Fall eine axiale Beweglichkeit der Welle 28 in die Dichtstellung erlauben. Es können auch mehrere innere und/oder äußere Dichtringe 58, 60 vorgesehen sein.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform, die sich von der zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Welle 28 keinen Absatz und keinen Abschnitt mit kleinerem Radius aufweist. Stattdessen weist die Welle 28 eine Verdickung 62 auf, die oberhalb des eigentlichen Gleitlagers 42 durch die Kraft der Feder 48 an einen fest mit der Lagerbuchse 44 verbundenen Stützabschnitt 64 gedrückt wird. Als Dichtelemente sind mehrere Dichtringe 66 vorgesehen, die wie bei einer Labyrinthdichtung zwischen axial beabstandeten Stützabschnitten 64 angeordnet sind.
Bei der in 5 gezeigten vierten Ausführungsform weist die Welle 28 wie bei der ersten Ausführungsform einen Absatz 56 auf, der den Übergang zwischen Wellenabschnitten unterschiedlicher Radien markiert. Auf dem Absatz 56 liegt ein ebener Ring 68 aus Metall auf, der axial darüber angeordnete innere und äußere Dichtringe 58, 60 durch die Kraft der Feder 48 gegen einen Stützabschnitt 64 drückt. Weitere Dichtringe 66 sind wie bei der dritten Ausführungsform zwischen axial beabstandeten Stützabschnitten 64 angeordnet.
In 6 ist eine fünfte Ausführungsform dargestellt, deren Dichtungsanordnung oberhalb eines Wellenabsatzes 56 und des Gleitlagers 42 zwei auf der Welle 28 axial übereinander angeordnete Kegelbuchsen 70 und als Dichtelement eine zwischen den Kegelbuchsen 70 aufgenommene Weichstoffdichtung in Form eines Dichtrings 72 aufweist, der gegen die Welle 28 gedrückt wird. Die Kegelbuchsen 70 weisen abgeschrägte Flächen auf, die dem Dichtelement 72 gegenüberliegen und für eine definierte Position des Dichtelements 72 sorgen. Der Absatz 56 drückt die Kegelbuchsen 70 mit dem Dichtelement 72 gegen den als Widerlager dienenden Stützabschnitt 50.
Bei der in 7 gezeigten sechsten Ausführungsform ist oberhalb des Gleitlagers 42 ein Dichtring 74 angeordnet, der sich an einem Wellenabsatz 56 abstützt. Der Dichtring 74 ist axial fixiert, indem er beispielsweise durch Löten, insbesondere Induktionslöten, unter Bildung eines Lötrings 76 auf der Welle 28 befestigt ist. Alternativ kann der Dichtring 74 auch unter Bildung eines Presssitzes (Presspassung) auf der Welle 28 befestigt sein. In jedem Fall drückt der Dichtring 74 axial gegen das Gleitlager 42 und dichtet dieses gegen die Welle 28 ab.
Als Material für die Dichtelemente aller Ausführungsformen eignen sich Metalle, Legierungen, Graphit oder temperaturbeständige Fasern.
Die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können untereinander kombiniert werden.
Die Feder 48 kann auch einen größeren Durchmesser haben und die Lagerbuchse 44 umschließen. In diesem Fall kann sich die Feder auf dem Ventilgehäuse 24 oder einem anderen nicht mit der Welle 28 drehenden Bauteil(abschnitt) abstützen, das bzw. der zwischen der zweite Abdeckung 46 und dem Ventilgehäuse 24 angeordnet ist. Die Anordnung der Feder 48 ist auch an einer anderen Stelle möglich, beispielsweise auf der anderen Seite des Ventilgehäuses 24 am anderen Ende der Welle 28.
Die Feder 48 kann auch so eingesetzt werden, dass sie die Welle 28 im Vergleich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen in die entgegengesetzte Richtung zieht, bezogen auf die 2 bis 6 also nach innen in Richtung Ventilgehäuse 24. Die umgekehrte Wirkrichtung der Feder 48 kann unter Verwendung der gleichen Bauelemente beispielsweise dadurch erzielt werden, dass eine (Schweiß-)Verbindung nicht zwischen der Welle 28 und der zweiten Abdeckung 46, sondern zwischen der Lagerbuchse 44 und der zweiten Abdeckung 46 oder zwischen dem Ventilgehäuse 24 und der zweiten Abdeckung 46. In diesen Fällen sind dann das Dichtelement 52, das Gleitlager 42 und der Stützabschnitt 50 in umgekehrter Abfolge (bezogen auf die Axialrichtung) angeordnet werden, wobei der Stützabschnitt 50 ein Teil des Ventilgehäuses 24 sein kann. Voraussetzung für diese Alternative ist eine feste Verbindung zwischen der Welle 28 und dem Dichtelement 52, wie in 7 am Beispiel eines Dichtrings 74 dargestellt.
Eine andere Lösung zum Schutz des Stellantriebs ist in 9 gezeigt. Ein Elektromotor 78 und/oder die elektronischen Komponenten 80 des Stellantriebs sind auf einer Metallplatte 82 angeordnet. Als wärmeableitendes Material für die Metallplatte 82 eignet sich z. B. Aluminium. Die Metallplatte 82 wird aktiv mithilfe eines Kühlkreislaufs unter Verwendung eines Kühlmittels gekühlt, das in einem Kühlkanal 84 an der Metallplatte 82 entlang oder durch die Metallplatten 82 strömt, wie in 9 symbolisch dargestellt. Der Elektromotor 78 und/oder die elektronischen Komponenten 80 sind durch ein Stellantriebsgehäuse 86 abgedeckt, sodass eine von den äußeren Bedingungen weitgehend unabhängige, gekühlte Umgebung für den Stellantrieb geschaffen ist. Das Stellantriebsgehäuse 86 kann beispielsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff gebildet sein.
Die aktive Kühleinrichtung kann zusätzlich oder alternativ zu einer Dichtungsanordnung vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Abgasrückführungsventil
10': Abgasrückführungsventil (nicht erfindungsgemäß)
12: Abgasstrang
14: Rückführleitung
16: Abgaseinlass
18: Abgasauslass
20: Rückführauslass
22: Ventilklappe
22a: Flügel
22b: Flügel
24: Ventilgehäuse
26: Ventilkammer
28: Welle
30: erstes Gleitlager
32: erstes Lager
34: erste Lagerbuchse
36: erste Abdeckung
38: zweites Lager
40: Hebelarm
42: zweites Gleitlager
44: zweite Lagerbuchse
46: zweite Abdeckung
48: Feder
50: Stützabschnitt
52: Dichtelement
54: Fase
56: Absatz
58: innerer Dichtring
60: äußerer Dichtring
62: Verdickung
64: Stützabschnitt
66: Dichtring
68: Ring
70: Kegelbuchse
72: Dichtring
74: Dichtring
76: Lötring
78: Elektromotor
80: elektronische Komponenten
82: Metallplatte
84: Kühlkanal
86: Stellantriebsgehäuse

Claims

Abgasrückführungsventil zur Steuerung eines Abgasvolumenstroms, der zu einer Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt werden soll, mit einem Abgaseinlass (16), der eine Einlassrichtung A definiert, einem Abgasauslass (18) und einem Rückführauslass (20), und einer verstellbaren Ventilklappe (22) zur Einstellung der Öffnungsquerschnitte des Abgasauslasses (18) und des Rückführauslasses (20), wobei die Ventilklappe (22) ausgehend von einer ersten Stellung, in der der Rückführauslass (20) geschlossen und der Abgasauslass (18) geöffnet ist, durch Bewegung in eine erste Richtung C in eine zweite Stellung überführbar ist, in der der Rückführauslass (20) wenigstens teilweise geöffnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappe (22) relativ zum Abgaseinlass (16) so angeordnet ist, dass sich ein spitzer Winkel α, den die Ventilklappe (22) in der ersten Stellung mit der Einlassrichtung A einschließt, durch die Bewegung der Ventilklappe (22) in die erste Richtung C verkleinert.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappe (22) die Form eines Kegelschnitts hat.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappe (22) die Form einer Ellipse hat, deren Nebenachse b um einen Faktor kürzer als die Hauptachse a ist, der zwischen 0,6 und 0,8 liegt und vorzugsweise 1/√ 2 beträgt.
Abgasrückführungsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stellantrieb zum Verstellen der Ventilklappe (22), und eine Dichtungsanordnung zum Schutz des Stellantriebs.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine die Ventilklappe (22) tragende Welle (28), die aus einem eine Ventilkammer (26) umgebenden Ventilgehäuse (24) herausgeführt und an den Stellantrieb gekoppelt ist, wobei die Dichtungsanordnung die Welle (28) gegen das Ventilgehäuse (24) abdichtet.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung in ein die Welle (28) aufnehmendes Lager (38) integriert ist und eine Spanneinrichtung aufweist, vorzugsweise mit einer Feder (48), die die Welle (28) axial in eine Dichtstellung vorspannt.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (28) in der Dichtstellung wenigstens ein Dichtelement (52) gegen einen relativ zum Ventilgehäuse (24) axial unbeweglichen Stützabschnitt (50) drückt.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (28) einen Absatz (56) oder eine Verdickung (62) oder einen Ring (68) aufweist, der bzw. die in der Dichtstellung am Dichtelement (52) angreift.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (52) oder der Absatz (56) der Welle (28) eine Fase aufweist.
Abgasrückführungsventil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung die Welle (28) in Drehrichtung in eine Ausgangsstellung vorspannt.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung eine Feder (48) aufweist, die einerseits drehfest an die Welle (28) und andererseits an ein nicht mit der Welle (28) drehendes Bauteil (50; 24) gekoppelt ist.
Abgasrückführungsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung wenigstens zwei auf der Welle (28) axial übereinander angeordnete Dichtringe (58, 60; 66) aufweist.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringe (58, 60) unterschiedliche Innen- und/oder Außendurchmesser aufweisen.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringe (66) zwischen axial beabstandeten Stützabschnitten angeordnet sind.
Abgasrückführungsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung zwei auf der Welle (28) axial übereinander angeordnete Kegelbuchsen (70) aufweist, zwischen denen ein Dichtring (72) aufgenommen ist.
Abgasrückführungsventil nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung einen auf der Welle (28) angeordneten Dichtring (74) aufweist, der gegen ein Gleitlager (42) drückt, in dem die Welle (28) aufgenommen ist.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (74) durch Löten oder durch einen Presssitz auf der Welle (28) befestigt ist.
Abgasrückführungsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine aktive Kühleinrichtung zum Schutz eines zum Verstellen der Ventilklappe (22) vorgesehenen Stellantriebs.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten (78, 80) des Stellantriebs auf einer Platte (82) angeordnet sind, die unter Verwendung eines strömenden Kühlmittels gekühlt wird.
Abgasrückführungsventil nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (78, 80) des Stellantriebs durch ein Stellantriebsgehäuse (86) abgedeckt sind.