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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappenanordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer Abgasklappe, deren Betriebsstellung über einen Nehmerzylinder steuerbar ist.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Applikationen von Abgassystemen, die Abgasklappen aufweisen, bekannt. Diese können beispielsweise dazu eingesetzt werden, einen Bypass freizugeben oder im geregelten Betrieb Luftmassenströme und/oder Abgasströme gezielt umzulenken. Anwendungen finden Abgasklappen beim Wärmemanagement für Dieselpartikelfilter und Abgasrückführungssysteme, bzw. zur Änderung von Schall- und Schadstoffemissionen, sowie zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren durch Steuerung des Abgasgegendruckes.
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Bekannte Abgasklappen sind nahezu immer durch Unterdruckdosen gesteuert. Diese Unterdruckdosen haben den Nachteil, dass sie nur einen ungeregelten Betrieb zwischen den Zuständen ”geöffnet” und ”geschlossen” ermöglichen. Eine stufenlose Feinabstimmung in Bezug auf den Winkel der Öffnungsstellung der Abgasklappe ist mit den bekannten Unterdruckdosen nicht realisierbar.
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Ebenfalls sind aus dem Stand der Technik Abgasklappen bekannt, die durch elektrische Stellaktuatoren angetrieben werden. Hiermit ist zwar eine einzelne Abstufung der Öffnungsstellung realisierbar, jedoch können sie nicht in Bereichen des Abgasstranges eingesetzt werden, in denen eine hohe Abgastemperatur herrscht. Beispielsweise ist kein Einsatz direkt an einem Abgaskrümmer eines Verbrennungsmotors möglich.
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Weiterhin benötigt die Peripherie der zuvor beschriebenen, eingesetzten und bekannten Abgasklappen einen entsprechend großen Bauraum in unmittelbarer Umgebung des Abgasstrangs. Auch hier ist es von Nachteil, dass gerade im Bereich eines Krümmers eines Verbrennungsmotors nur ein geringer Raum vorhanden ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abgasklappenanordnung zur Verfügung zu stellen, die präzise und stufenlos angesteuert werden kann, wenig Bauraum benötigt und ein breites thermisches Einsatzspektrum hat.
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Die vorliegende Erfindung löst die oben genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, indem der Nehmerzylinder hydraulisch betätigbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche 2 bis 10 gelöst.
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Durch die hydraulische Betätigung der Abgasklappe über einen Nehmerzylinder ist es möglich, eine stufenlos regelbare Abgasklappe flexibel an nahezu jedem beliebigen Abschnitt des Abgasstranges im Fahrzeug anzuordnen. Die Abgasklappe kann in ihrer Betriebsstellung über den Nehmerzylinder so eingestellt werden, dass sie stufenlos zwischen komplett geöffnet und komplett geschlossen steuerbar ist. Weiterhin benötigt die erfindungsgemäße Klappenanordnung nur einen geringen Bauraum und sie ist weitestgehend temperaturunabhängig ansteuerbar. Die Temperaturabhängigkeit unterliegt hierbei maßgeblich nur den thermischen Eigenschaften der eingesetzten Hydraulikflüssigkeit. Die Funktionalität der Klappenmechanik ist auch bei an einem Krümmer auftretenden Abgastemperaturen von bis zu 1.000°C gegeben.
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Vorzugsweise ist der Nehmerzylinder mit einem Geberzylinder über eine Hydraulikleitung verbunden. Durch die Hydraulikleitung können sowohl Nehmer- als auch Geberzylinder flexibel an nahezu jedem beliebigen Ort im Kraftfahrzeug angebracht werden. Eine Bauraumproblematik in Bezug auf eine Abgasklappe mit zugehörigem Stellaktuator entfällt mit einer erfindungsgemäßen Lösungsvariante.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist als Hydraulikfluid ein Flüssigmetall eingesetzt. Das Flüssigmetall überträgt die jeweilige Bewegung von Geber- auf Nehmerzylinder, so dass sich diese in entsprechender Weise bewegen. Bestehen Geber- und Nehmerzylinder in Form einer klassischen Zylinderkolbenanordnung eines Standardhydraulikzylinders, so erfolgt durch eine Druckbeaufschlagung der Hydraulikleitung mit dem Geberzylinder eine lineare Bewegung des Nehmerzylinders.
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Flüssigmetalle haben einen besonders niedrigen Schmelzpunkt, der unter –20°C liegt. Hierdurch ergibt sich ein breites Einsatzspektrum, auch bei niedrigen Außentemperaturen im Kaltstartverhalten. Am Kontakt des Nehmerzylinders mit der Klappenmechanik treten oft hohe Temperaturen, bis zu 600°C, durch Wärmeleitung der in dem Abgasstrom enthaltenen Wärme auf. Flüssigmetalle haben einen Siedepunkt, der bei mehr als 1.000°C liegt. Die thermische Beeinflussung des Hydraulikfluids durch die Abgaswärme ist daher unkritisch. Somit können alle Temperaturbereiche im Einsatz eines Verbrennungsmotors durch die thermischen Eigenschaften des Flüssigmetalls in Fluidform abgedeckt werden. Als Flüssigmetall wird vorzugsweise Galinstan eingesetzt, mit den Hauptlegierungsbestandteilen Gallium, Indium und Stannum. Ein weiterer Vorteil der hydraulischen Kopplung ist ein wartungsarmer bzw. wartungsfreier Betrieb.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Abgasklappe mit dem Nehmerzylinder mechanisch gekoppelt. Die vom Nehmerzylinder ausgeführten Bewegungen können somit, beispielsweise durch ein Verbindungsgestänge oder direkt, auf die Abgasklappe übertragen werden. Die mechanische Kopplung der Abgasklappe mit dem Nehmerzylinder zeichnet sich besonders durch ihre Temperaturunabhängigkeit und Robustheit aus.
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Vorzugsweise ist der Geberzylinder mit einem Stellaktuator gekoppelt. Der Stellaktuator ist dabei bevorzugt als Linearaktuator, besonders bevorzugt als elektromagnetischer Hubaktor ausgebildet. Der Aktuator ist mechanisch oder elektrisch ansteuerbar, seine Regelung kann mechanisiert oder automatisch erfolgen. Um auch mit kleinen Bewegungsstrecken des Aktuators arbeiten zu können, empfiehlt sich eine hydraulische Kraft-/Wegumsetzung durch eine Verengung der Durchlassöffnung. Bei entsprechender mechanischer oder hydraulischer Übersetzung kann auch ein piezoelektrischer Stapelaktor als Stellaktuator eingesetzt sein. Der Stellaktuator ist aufgrund seiner Einbauposition mit Distanz zum Abgasstrang einer nur geringen Temperaturbelastung ausgesetzt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Abgasklappe als an eine Innenkontur des Abgasstranges angepasste Blende ausgebildet. Sie deckt somit in der ”geschlossen”-Stellung die gesamte innere Querspannfläche des Abgasstranges ab.
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Vorzugsweise ist die Blende um eine Drehachse im Abgasstrang drehbar angeordnet. Sie kann somit von einer ”geschlossen”-Stellung, in der sie die komplette innere Querspannfläche des Abgasstranges abdeckt, in eine ”offen”-Stellung gedreht werden, so dass ein maximaler Durchlass des Abgases erfolgt. In bevorzugter Bauweise wird die Klappe selbst als Butterfly-Abgasklappe ausgebildet. Sie rotiert dabei zentrosymmetrisch um eine Drehachse in der Mitte des Abgasstrangs. Im Zuge der vorliegenden Erfindung ist aber auch eine exzentrisch drehbar angeordnete Abgasklappe realisierbar. Hierbei ist die Drehachse gegenüber der Mitte des Abgasstranges versetzt. Die Drehachse wird über Keramikbuchsen gelagert und abgedichtet, so dass eine einwandfreie Funktion bei hohen Abgastemperaturen erhalten bleibt. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch eine als Schieber ausgebildete Abgasklappe realisiert. Im Rahmen der Erfindung ist auch die Ansteuerung von Ventilen im Abgasstrang möglich. So kann beispielsweise ein AGR-Ventil erfindungsgemäß über eine Hydraulikleitung mit einem Flüssigmetall angesteuert werden.
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Vorzugsweise ist ein Winkel der Betriebsstellung der Abgasklappe durch einen Sensor erfassbar. Je nach gewünschter Abgasdurchflussrate weist die Kraftfahrzeugabgasklappe eine Betriebsstellung auf, indem sie sich um ihre Drehachse um einen Winkel verstellt. Diese Betriebsstellung wird zum einen durch den Nehmerzylinder eingestellt, zum anderen aber auch durch Strömungswiderstände beeinflusst. Damit stets eine genaue Position der Betriebsstellung erfasst wird, wird diese in einem Drehwinkel gemessen. Über den gemessenen Winkel kann die geöffnete Fläche im Abgasstrang berechnet und so die Abgasdurchsatzrate ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt ist der Sensor dabei durch zwei gegenläufige Differentialpotentiometer ausgebildet. Durch die Anordnung mit den beiden Differentialpotentiometern wird die Änderung des spezifischen Widerstandswertes durch die am Abgasstrang anliegende Temperatur nicht beeinflusst. Ein steigender spezifischer Widerstand eines Differentialpotentiometers wird durch den steigenden spezifischen Widerstand des gegenläufigen Differentialpotentiometers kompensiert. Im Rahmen der Erfindung kann der Sensor auch durch differentielle Kapazitätsmessung ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die angewandte Messmethode verschleißfrei ist.
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Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugabgasklappenanordnung zeichnet sich somit durch eine lange Lebensdauer aufgrund geringerer Temperaturbelastung des Aktuators, eine einfache Winkelerfassung aufgrund gegenläufiger Differentialpotentiometer und einen kostengünstigen und einfachen Aufbau, da keine zusätzlichen Kühlungen notwendig sind, aus.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bevorzugte Ausführungsformen anhand der schematischen Zeichnungen. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine Klappenanordnung mit einer Abgasklappe in einem Abgasstrang und
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2 eine Abgasklappe in einem Abgasstrang.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine Klappenanordnung 1 an einem Abgasstrang 2 eines Kraftfahrzeuges. Hierbei sitzt eine Abgasklappe 3 in dem Abgasstrang 2 und wird über einen Nehmerzylinder 4 angesteuert. Der Nehmerzylinder 4 ist mit einem Geberzylinder 5 über eine Hydraulikleitung 6 verbunden. Der Geberzylinder 5 ist mit einem Stellaktuator 7 gekoppelt. Eine Bewegung des Stellaktuators 7 wird folglich auf den Geberzylinder 5 übertragen, der wiederum seine Bewegung über die Hydraulikleitung 6 an den Nehmerzylinder 4 überträgt. Die Abgasklappe 3 schließt in ihrer ”geschlossen” Stellung den Abgasstrang 2 vollständig, indem sie an einer Innenkontur 8 vollflächig anliegt. Sie ist mit dem Nehmerzylinder 4 mechanisch gekoppelt, so dass die Bewegung des Nehmerzylinders 4 in der hier gezeigten Ausführungsvariante in eine Drehung der Abgasklappe 3 um eine Drehachse 9 umgesetzt wird. Durch eine Drehung der Abgasklappe 3 entsteht eine Öffnungsstellung mit einem Winkel 10 und somit kann ein Abgasstrom A durch den Abgasstrang 2 fließen.
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2 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Abgasstrangs 2. Durch die hier dargestellte Blickrichtung wird die Abgasklappe 3 in einer ”geschlossen”-Stellung gezeigt. Sie verschließt in der ”geschlossen”-Stellung den Abgasstrang 2, indem ihre äußere Form an der Innenkontur 8 des Abgasstrangs 2 angepasst ist. Durch eine Bewegung des hier nicht gezeigten Nehmerzylinders erfolgt eine Drehung der Abgasklappe 3 um die Drehachse 9. Hierbei steht die Betriebsstellung in einer Winkelposition, die durch einen Sensor 11 erfasst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klappenanordnung
- 2
- Abgasstrang
- 3
- Abgasklappe
- 4
- Nehmerzylinder
- 5
- Geberzylinder
- 6
- Hydraulikleitung
- 7
- Stellaktuator
- 8
- Innenkontur
- 9
- Drehachse
- 10
- Winkelposition
- 11
- Sensor
- A
- Abgasstrom
