DE102014103319A1 - Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Klappenvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Klappenkörper (16), einer Welle (14), auf der der Klappenkörper (16) angeordnet ist, einem Gehäuse (10), in dem ein Strömungskanal (12) ausgebildet ist, dessen Durchströmungsquerschnitt durch Drehung der Welle (14) regelbar ist, einem Aktor (18), durch den die Welle (14) im Strömungskanal (12) drehbar ist, einem Hebel (20), der außerhalb des Strömungskanals (12) auf der Welle (14) befestigt ist und einem Anschlag (22), gegen den der Hebel (20) in zumindest einer Endstellung des Klappenkörpers (16) anliegt, sind bekannt. Durch thermische Dehnungen verschiebt sich dieser Anschlagpunkt, was zur Folge haben kann, dass der Klappenkörper im Kanal festklemmt. Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die zum Anschlag (22) gewandte Fläche (26) des Hebels (20) einen Anschlagbereich (24, 34) aufweist, der zu einer radial nach außen verlaufenden Geraden in Richtung des Anschlags (22) geneigt ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Klappenkörper, einer Welle, auf der der Klappenkörper angeordnet ist, einem Gehäuse, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist, dessen Durchströmungsquerschnitt durch Drehung der Welle regelbar ist, einem Aktor, durch den die Welle im Kanal drehbar ist, einem Hebel, der außerhalb des Strömungskanals auf der Welle befestigt ist und einem Anschlag, gegen den der Hebel in zumindest einer Endstellung des Klappenkörpers anliegt.
  • Derartige Klappen werden beispielsweise in Abgaskanälen von Verbrennungsmotoren benutzt, um den durch den Abgaskanal geförderten Abgasmassenstrom zu regeln oder einen Gegendruck zur Erhöhung der Abgasförderung in einem Parallelkanal zu erzeugen. Entsprechend werden sie als Abgasstauklappen, Abgasrückführklappen oder Klappen zur Wärmerückgewinnung eingesetzt.
  • Diese Klappenvorrichtungen werden aufgrund der hohen thermischen Belastung im Abgasbereich aus möglichst hoch belastbaren Materialien hergestellt, um eine möglichst lange Lebensdauer zu erhalten. In den letzten Jahren wurden verschiedene Konzepte zur Lagerung und Abdichtung solcher Klappen nach außen erarbeitet. Neben einer hohen Dichtigkeit nach außen wächst auch die Forderung einer genauen Regelbarkeit und hohen Dichtigkeit im geschlossenen Zustand der Klappe. Um eine gute Dichtigkeit zu erreichen wurden vor allem im Kanal ausgebildet Anschläge für die Klappenkörper verwendet. Hier besteht jedoch das Problem durch Ablagerungen an den dafür notwendigen Absätzen, die dazu führen, dass die Dichtigkeit mit wachsender Lebensdauer nachlässt.
  • Aus diesem Grund werden verstärkt elliptische Klappenkörper verwendet, die an den glatten Kanalwänden anschlagen. Um dabei ein Verklemmen der Klappe im Kanal zu vermeiden ist es erforderlich, im nicht durchströmten Bereich Anschläge vorzusehen, mit denen die Drehung des Klappenkörpers im Kanal begrenzt wird.
  • So wird in der DE 195 26 144 A1 beispielsweise eine Abgasklappe offenbart, welche einerseits gegen einen internen Anschlag im Gehäuse gefahren wird, um ein möglichst dichtes Verschließen sicher zu stellen und andererseits einen externen Anschlag aufweist, gegen den ein Hebel der Klappenwelle gefahren wird. Eine solche Anordnung muss sehr genau gefertigt werden, um zu vermeiden, dass die externen Anschläge beim Schließen der Klappe entsprechend zu den internen Anschlägen ausgebildet sind, da andernfalls wiederum Leckagen an der Klappe entstehen können.
  • Es ergibt sich somit das bislang ungelöste Problem, eine dauerhafte Dichtigkeit einer geschlossenen Abgasklappe sicherzustellen. Neben den auftretenden Ablagerungen an den Absätzen im Strömungsgehäuse treten auch thermische Dehnungen des Gehäuses auf, die sich häufig von denen des Klappenkörpers oder des Hebels unterscheiden. Hierdurch entsteht ein Verklemmen einer elliptischen Klappe in einem Abgaskanal, da der externe Anschlag nicht mehr zu dem Zeitpunkt erreicht wird, in dem der Klappenkörper gerade den Kanal verschließt. Stattdessen entsteht ein Überdrehen der Klappe.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung zu schaffen, mit der ein Überdrehen der Welle und damit des Klappenkörpers im Kanal mit der Folge eines Verklemmens des Klappenkörpers trotz thermischer Belastungen vermieden werden kann und dennoch eine hohe Dichtigkeit der Klappe im den Kanal verschließenden Zustand erreicht werden kann. Auch für unterschiedliche Wärmedehnungen von Klappenkörper und Gehäuse soll eine einen dichten Verschluss gewährleistende Stellung angefahren werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass die zum Anschlag gewandte Fläche des Hebels einen Anschlagbereich aufweist, der zu einer radial nach außen verlaufenden Geraden in Richtung des Anschlags geneigt ausgebildet ist, wird ein Verschieben des Anschlags in axialer und radialer Richtung bezüglich des Drehpunktes der Welle durch auftretende Wärmedehnungen ausgeglichen. Somit werden ein Überdrehen der Klappe im Strömungskanal und ein dadurch folgendes Verklemmen verhindert. Interne Anschläge, welche auf Dauer zu Undichtigkeiten aufgrund von Ablagerungen führen können, werden nicht benötigt und dennoch ein dichtes Verschließen erreicht. Auch Wärmedehnungsdifferenzen von Klappenkörper und Gehäuse können durch unterschiedlich gewählte Drehwinkelstellungen angefahren werden.
  • Vorzugsweise ist der Anschlagbereich stetig geformt. So kann zu jeder auftretenden Dehnung des Gehäuses aufgrund steigender Temperaturen ein bezüglich der Drehwinkellage der Klappe gleichbleibender Anschlag angefahren werden.
  • Je nach auftretender Dehnung ist der Anschlagbereich entweder gerade geformt oder kurvenförmig ausgebildet. Die Dehnungen folgen dabei einer entsprechenden Funktion, die durch die Formung des Anschlagbereiches am Hebel wiedergegeben werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag am Gehäuse des Strömungskanals ausgebildet. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Hebelgestängen und weiter entfernten Aktoren vorteilhaft, da der Anschlag nahe am Klappenkörper ausgebildet ist, wodurch auftretende Fehler durch sich summierende Toleranzen vermieden werden.
  • In einer alternativen Ausbildung der Erfindung ist der Anschlag im Innern eines Aktorgehäuses ausgebildet. Bei direkt am Strömungsgehäuse angeordneten Aktoren vereinfacht dies die Herstellung des Gehäuses, ohne dass Fehler durch sich aufsummierende Toleranzen zu befürchten sind.
  • In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist der Hebel als Zahnsegment ausgeführt, welches in einer Endstellung gegen den Anschlag anliegt. So kann auf zusätzliche Hebel zur Drehbegrenzung verzichtet werden. Dabei ist der Anschlag bevorzugt am Abtriebszahnrad des Getriebes angeordnet, so dass erneut eine sehr genaue Drehwinkelbegrenzung möglich ist.
  • Es wird somit eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, mit der eine sehr exakte, extern angeordnete Drehwinkelbegrenzung erreicht wird, die entsprechend einfach herzustellen ist. Ein Verklemmen der Klappe innerhalb des Kanals aufgrund von Wärmedehnungen oder eine Undichtigkeit aufgrund von Ablagerungen an einem als Anschlag dienenden Ventilsitz werden zuverlässig vermieden. Zusätzlich kann auch für jede Temperatur eine optimale Klappenposition zum Verschluss des Kanals angefahren werden, wenn unterschiedliche Wärmedehnungen von Klappenkörper und Gehäuse zu erwarten sind.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben
  • 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung mit gestrichelt dargestellten Klappenkörper im Strömungskanal in schematischer Darstellung.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung mit gestrichelt dargestellten Klappenkörper im Strömungskanal in schematischer Darstellung.
  • Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung besteht aus einem Gehäuse 10, in dem ein Strömungskanal 12 ausgebildet ist, der insbesondere von einem heißen Abgas durchströmt wird. Durch diesen Strömungskanal 12 erstreckt sich zentral im Querschnitt eine Welle 14, die im Gehäuse 10 beidseitig gelagert wird. Auf der Welle 14 ist ein Klappenkörper 16 befestigt, der bei Betätigung eines mit der Welle 14 verbundenen Aktors 18 im Strömungskanal 12 gedreht wird und so den zur Verfügung stehenden Durchströmungsquerschnitt und damit den Abgasstrom im Strömungskanal 12 regelt. An zumindest einem axialen Ende der Welle 14 ragt diese aus dem Gehäuse 10 heraus. Auf diesem Ende ist ein Hebel 20 befestigt, über den die Welle 14 betätigt wird.
  • Am Gehäuse 10 ist an der zum Strömungskanal 12 abgewandten Seite ein Anschlag 22 ausgebildet, gegen den ein Anschlagbereich 24 einer zum Anschlag 22 weisenden Fläche 26 des Hebels 20 in einer Endstellung des Klappenkörpers 16 im Strömungskanal 12 anliegt. In dieser Endstellung verschließt der Klappenkörper 16 den Durchströmungsquerschnitt des Strömungskanals 12 vollständig, so dass keine Abgasströmung mehr vorliegt. Der Klappenkörper 16 ist dabei vorzugsweise zumindest leicht elliptisch ausgebildet und liegt in Schrägstellung an, da auf diese Weise ein Verschluss bei unterschiedlichen Temperaturdehnungen von Klappenkörper 16 und Gehäuse 10 erreicht werden kann.
  • Bei Kaltstart des Verbrennungsmotors entspricht die Temperatur des Gehäuses 10 im Wesentlichen der Umgebungstemperatur. Während der Warmlaufphase strömt heißes Abgas in den Strömungskanal 12, wodurch sich das Gehäuse 10 auf eine Temperatur von bis zu 400°C aufheizt. Dies führt zu einer Längendehnung und gegebenenfalls zu einer radialen Dehnung des Gehäuses 10, die von der Größe des Kanals abhängig ist, jedoch bis zu einigen Zehntel Millimetern betragen kann.
  • Betrachtet man die Drehachse der Welle 14 als Bezugspunkt entfernt sich somit der Anschlag 22 durch die Aufheizung in axialer und in radialer Richtung von der Drehachse. Bei einem radial verlaufenden Hebel hat dies zur Folge, dass der Hebel später gegen den Anschlag 22 anliegt und eine andere Berührungsfläche zum Anschlag 22 aufweist. Dies bedeutet, dass der Klappenkörper 16 seine Drehung im Vergleich zum kalten Zustand weiter fortsetzt und zwar gegebenenfalls so weit, dass der Klappenkörper 16 an den Innenwänden des Gehäuses 10 festgesetzt wird, also verklemmt.
  • Aus diesem Grund weist der Hebel 20 erfindungsgemäß an seiner zum Anschlag 22 weisenden Fläche 26 einen Anschlagbereich 24 auf, der derart geformt ist, dass die Dehnungsdifferenzen durch den sich mit Temperaturänderung verändernden Anschlagpunkt in jedem Zustand ausgeglichen werden. Hierzu ist der Anschlagbereich 24 gemäß der 1 in Richtung des Anschlags im Vergleich zur radialen Richtung geneigt ausgebildet und zwar entlang einer bezüglich der radialen Richtung sich weiter abspreizenden stetig verlaufenden Kurve. Dies bedeutet, dass der Abstand zur radialen Richtung mit der Erstreckung in radialer Richtung kontinuierlich wächst.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wächst der Abstand nicht nur linear sondern etwa quadratisch. Welche Funktion hier abzubilden ist, ist optimal durch Versuche zu ermitteln, da einerseits die Dehnungen des Gehäuses 10 ausgeglichen werden müssen, jedoch gegebenenfalls zusätzlich auch die Drehwinkelstellung des Klappenkörpers 16 der Temperatur angepasst werden muss, wenn sich der Klappenkörper 16 anders dehnt als das umgebende Gehäuse 10, was immer dann zu erwarten ist, wenn zwei verschiedene Materialien zur Herstellung verwendet werden. So kann der Anschlagpunkt durch Ausformung des Anschlagbereichs 24 für jede Temperatur so bestimmt werden, dass der Klappenkörper 16 sich in seiner den Strömungskanal 12 ideal verschließenden Position befindet, wenn der Anschlag 22 erreicht wird.
  • Für die Beschreibung der zweiten Ausführungsform gemäß der 2 werden im Folgenden für funktional gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel ist im Vergleich zur 1 der Anschlag 22 innerhalb eines Aktorgehäuses 28 und zwar an dessen Innenwand ausgebildet. Die Ausgangswelle 30 des Aktors 18 ist direkt mit der Welle 14, auf der der Klappenkörper 16 angeordnet ist, gekoppelt. Auf der Ausgangswelle 30 ist ein Abtriebszahnrad befestigt, welches als Hebel 20 wirkt und als Zahnradsegment 32 ausgeführt ist. Die flache Seite des Zahnradsegmentes 32 bildet die zum Anschlag 22 weisende Fläche 26, an der ein Anschlagbereich 34 ausgebildet ist, der in der den Strömungskanal 12 verschließenden Endposition des Klappenkörpers 16 gegen den Anschlag 22 gefahren wird.
  • Der Anschlagbereich 34 ist derart ausgebildet, dass wie im ersten Ausführungsbespiel nach radial außen der Abstand zu einer radial verlaufenden Geraden wächst, jedoch lediglich linear. Entsprechend schließt die Oberfläche dieses Anschlagbereiches 34 einen konstanten Winkel zur radialen Richtung des Hebels 20 ein.
  • Der Aktor 18 ist weniger stark der thermischen Belastung des Abgases ausgesetzt, so dass die Verschiebung des Anschlags 22 durch die Wärmedehnungen geringer ausfällt. Entsprechend ist bei dieser Ausführung vor allem die Verschiebung der Klappenstellung zum Verschluss des Strömungskanals 12 durch die Ausformung des Anschlagbereiches 34 auszugleichen.
  • Eine optimale Ausformung des Hebels ist entsprechend durch Versuche oder Simulationen zu ermitteln. Sowohl Verschiebungen des strömungskanalinternen Verschlusswinkels als auch Verschiebungen des externen Anschlags aufgrund von Wärmedehnungen können durch eine derartig ausgestaltete Klappenvorrichtung zuverlässig vermieden werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Ausformungen des Anschlagbereiches im Vergleich zu den realen Produkten zum besseren Verständnis vergrößert dargestellt sind und sich üblicherweise lediglich über einige Zehntel Millimeter erstrecken.
  • Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel und die Verwendung im Abgasbereich beschränkt ist. Überall dort, wo verschiedene Materialien verwendet werden und thermische Dehnungen auftreten, ist eine solche Klappenvorrichtung einsetzbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19526144 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Klappenkörper (16), einer Welle (14), auf der der Klappenkörper (16) angeordnet ist, einem Gehäuse (10), in dem ein Strömungskanal (12) ausgebildet ist, dessen Durchströmungsquerschnitt durch Drehung der Welle (14) regelbar ist, einem Aktor (18), durch den die Welle (14) im Strömungskanal (12) drehbar ist, einem Hebel (20), der außerhalb des Strömungskanals (12) auf der Welle (14) befestigt ist und einem Anschlag (22), gegen den der Hebel (20) in zumindest einer Endstellung des Klappenkörpers (16) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Anschlag (22) gewandte Fläche (26) des Hebels (20) einen Anschlagbereich (24, 34) aufweist, der zu einer radial nach außen verlaufenden Geraden in Richtung des Anschlags (22) geneigt ausgebildet ist.
  2. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagbereich (24, 34) stetig geformt ist.
  3. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagbereich gerade (34) geformt ist.
  4. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagbereich (24) kurvenförmig ausgebildet ist.
  5. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (22) am Gehäuse (10) des Strömungskanals (12) ausgebildet ist.
  6. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (22) im Innern eines Aktorgehäuses (28) ausgebildet ist.
  7. Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (20) als Zahnradsegment (32) ausgeführt ist, welches in einer Endstellung gegen den Anschlag (22) anliegt.
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