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Die Erfindung betrifft ein Gasregelventil eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, insbesondere ein Abgasregelventil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solches Gasregelventil wird z.B. als Abgasrückführventil in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt. In Verbrennungsmotoren werden bei hohen Verbrennungstemperaturen umweltschädliche Stickoxide gebildet, deren Entstehung reduziert werden kann, indem ein Teil des Abgases über ein Abgasrückführventil aus der Abgasleitung abgezweigt und der dem Motor zugeführten Frischluft beigemischt wird, um so die Sauerstoffkonzentration in der Ladeluft zu senken. Daraus resultiert ein Verbrennungsprozess bei niedrigeren Temperaturen, bei dem weniger Stickoxide entstehen. Eine noch höhere Effektivität in der Stickoxidreduzierung erhält man, wenn das rückgeführte Abgas gekühlt wird.
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Insbesondere bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung eine entscheidende Maßnahme zur Senkung der Stickoxidemission, da der Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen allein zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben nicht ausreichend ist.
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Üblicherweise sind Abgasrückführventile nahe dem Auspuffkrümmer angebracht und werden folglich im heißen Abgasstrom bei Temperaturen von bis zu 850 °C betrieben. Zudem stellen Kontaminationen im Abgas wie etwa Rußpartikel, Motorölreste oder Dieselbestandteile, die als Kondensateinträge ins Ventillager gelangen können, erhöhte Anforderungen an das Ventil hinsichtlich gleichbleibender Funktion über die gesamte Fahrzeuglebensdauer.
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Bei einem Verbrennungsmotor finden sich darüber hinaus noch weitere Einsatzmöglichkeiten für ein Gasregelventil, durch das neben Heißgas natürlich auch Kaltgas gesteuert bzw. geregelt werden kann, z.B. als Drosselklappe oder Drallklappe im Ansaugtrakt des Motors. Hier weist das Gasregelventil insbesondere einen rotatorisch bewegten Absperrkörper, nämlich die Klappe, auf.
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Auch eine Verwendung als Stelleinheit eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie, kurz VTG-Lader (englisch VNT = „variable nozzle turbocharger“) ist denkbar. Hierbei dient das Gasregelventil der Verstellung der Leitschaufeln auf der Eingangsseite des Turboladers, wodurch die Abgasgeschwindigkeit gesteuert bzw. geregelt wird, um die Laderleistung an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, so dass der Turbolader hier auch eine Art Gasregelventil bildet
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Derzeit übliche Regelventile (Hub- oder Drehventile) verfügen über eine elektrische Antriebsquelle in Form eines Gleichstrommotors oder Drehmagneten, die die Drehbewegung des Motors mithilfe einer geeigneten Übersetzungsmechanik, etwa einer Kulissenführung oder einer Stirnradgetriebestufe, in einen entsprechenden Arbeitshub umsetzen. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Ventile sind vergleichsweise groß und arbeiten üblicherweise mit einer einseitigen Gleitlagerung eines Ventilschafts, sodass auch unerwünschte Querkräfte auf den Schaft wirken. Bei einer Kulissenführung sind nahe der Endlagen nur geringe Stellkräfte erreichbar, oder die Reaktionskräfte sind so hoch, dass diese zu überproportionalen Belastungen der Getriebekomponenten führen.
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Darüber hinaus gab es in der Vergangenheit Überlegungen, zur Abgasrückführung bei Benzinmotoren Ventile einzusetzen, bei denen die Drehbewegung eines Schrittmotors mittels einer Gewindespindel in einen linearen Arbeitshub umgesetzt wird. Mit einem solchen Ventil lassen sich allerdings nur vergleichsweise geringe Stellkräfte von ca. 50 - 60 N erzielen, die insbesondere zur Abgasrückführung bei Dieselmotoren aufgrund der hier herrschenden höheren Drücke nicht ausreichend sind.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 100 44 898 A1 ist ein Abgasrückführventil bekannt, das eine Betätigungsvorrichtung mit zwei Aktuatoren, nämlich einem Schraubantrieb und einem Hubaktuator, aufweist, um ein Schließteil in Form eines Ventiltellers zu betätigen. Während für hohe Öffnungskräfte der Hubaktuator mit großer Verstellkraft und kleinem Weg eingesetzt wird, dient der Schraubantrieb einer exakten Verstell- und Positionierbewegung über einen langen Hubweg.
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Die
DE 10 2013 224 792 A1 beschreibt ein Abgasrückführventil, das durch einen Schrittmotor betätigt wird, dessen Drehbewegung mittels einer mit dem Ventilschaft gekoppelten Gewindespindel in eine Linearbewegung des Schafts umgewandelt wird.
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Die
DE 10 2013 101 785 A1 offenbart ein Abgasregelventil, dessen Ventilstange durch einen Elektromotor sowie eine Exzenter-Kulissenverbindung translatorisch bewegbar ist.
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Aus der
DE 33 39 592 A1 ist ferner ein Abgasrückführventil bekannt, dessen Absperrorgan über den Schmierstoffkreislauf der zugeordneten Brennkraftmaschine betätigt wird.
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Schließlich zeigt die
DE 603 02 444 T2 einen elektrischen Linearantrieb mit einem Rotor und einem Steuerorgan, das mit einer Absperreinheit verbunden werden kann. Die Rotationsbewegung des Rotors wird dabei in eine Linearbewegung des Steuerorgans umgesetzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gasregelventil bereitzustellen, das die genannten Nachteile vermeidet und möglichst universell einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß ist hierzu ein Gasregelventil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
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Somit ist beim erfindungsgemäßen Gasregelventil der Absperrkörper unmittelbar am Schaft und damit auf der (verlängerten) Abtriebsachse oder -welle angeordnet, weshalb das erfindungsgemäße Gasregelventil nur in etwa die halbe Baugröße derzeit üblicher Ventile aufweist, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten deutlich erweitert sind. Auch eine Gewichtsreduktion ist erzielbar. Auf eine Übersetzungsmechanik wie etwa eine Kulissenführung kann verzichtet werden, weshalb auch die durch die einseitige Gleitlagerung bedingten Nachteile bekannter Systeme vermieden werden. Gleichzeitig werden erhöhte Schließkräfte sowie eine deutliche Qualitätsverbesserung und eine Steigerung der Robustheit erreicht. Gegenüber den erwähnten Linearventilen mit Schrittmotor bietet das erfindungsgemäße Gasregelventil insbesondere den Vorteil wesentlich höherer Stellkräfte von ca. 200 bis 250 N bei gleichzeitig kompakter Bauweise, was durch die Verwendung eines elektronisch kommutierten Motors erreicht wird. Hinzu kommt die vereinfachte Ansteuerung, für die bei einem elektronisch kommutierten Motor im Gegensatz zu einem herkömmlichen Schrittmotor nur eine einzige H-Brücke benötigt wird. Die Failsafe-Einheit dient dazu, den Absperrkörper bei Ausfall der Antriebseinheit (bzw. deren Stromversorgung) in eine definierte Stellung zu bringen, insbesondere in die geschlossene Stellung. Je nach Anwendung kann die Failsafe-Stellung jedoch auch eine ganz oder teilweise geöffnete Stellung sein.
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Vorzugsweise dient das erfindungsgemäße Gasregelventil zur Steuerung bzw. Regelung eines Abgasstroms eines Dieselmotors. Die hierfür benötigten Stellkräfte von ca. 200 bis 250 N lassen sich, wie bereits erwähnt, bei zugleich kompakter Bauweise durch die elektronische Kommutierung des Motors problemlos erreichen. Alternativ ist natürlich auch der Einsatz bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung denkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebseinheit als Modul ausgebildet, das mit verschiedenen Absperreinheiten, insbesondere mit einer Absperreinheit mit einem linear betätigten Absperrkörper sowie einer Absperreinheit mit einem rotatorisch betätigten Absperrkörper, gekoppelt werden kann. Somit ergibt sich ein Baukastensystem mit einem hohen Anteil an Gleichteilen, das für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden kann.
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In einer ersten Erfindungsvariante weist die Absperreinheit einen linear betätigten Absperrkörper, insbesondere einen Ventilteller, auf. Ein solches Gasregelventil kann beispielsweise als Hochdruck-Abgasrückführventil, als Stelleinheit für einen VTG-Lader (Variable-Turbinengeometrie-Lader, englisch Variable Nozzle Turbocharger) oder als Stelleinheit für Umschaltklappen eingesetzt werden.
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Vorteilhaft weist dann die Absperreinheit eine Gewindespindel auf, die insbesondere Teil des Schafts ist. Mithilfe dieser Gewindespindel wird die Drehbewegung des Motors in eine lineare Bewegung des Schafts und damit des Absperrkörpers umgewandelt.
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Bevorzugt besitzt die Gewindespindel einen ersten Gewindeabschnitt, mit dem sie in einer ersten Gewindemutter gelagert ist, die von der Antriebseinheit angetrieben bzw. in Drehung versetzt wird. Dreht sich die Gewindemutter, so wird bei der Gewindespindel eine lineare Bewegung erzielt.
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Insbesondere weist die Gewindespindel einen zweiten Gewindeabschnitt auf, mit dem sie in einer zweiten Gewindemutter gelagert ist, die fest mit einem Gehäuse der Absperreinheit verbunden ist. Natürlich kann die zweite Gewindemutter auch durch ein unmittelbar in das Gehäuse selbst eingebrachtes Gewinde gebildet sein. Somit ist die Gewindespindel an zwei Stellen gelagert, nämlich in der ersten Gewindemutter und in der zweiten Gewindemutter, wodurch insbesondere Querkräfte vermieden werden.
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Vorzugsweise weisen die Gewinde beider Gewindeabschnitte die gleiche oder unterschiedliche Steigung auf, sind jedoch gegenläufig ausgeführt. Während eine Drehbewegung der ersten Gewindemutter theoretisch eine rein lineare Bewegung der Gewindespindel verursachen würde, wird durch die gehäusefeste Anbringung der zweiten Gewindemutter bewirkt, dass sich die Spindel drehend aus dem Gehäuse der Absperreinheit heraus bzw. in dieses hinein bewegt. Auf diese Weise wird zwar eine reduzierte Stellgeschwindigkeit des Absperrkörpers erzielt, die jedoch mit einer höheren Kraft einhergeht.
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Gemäß einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass die Absperreinheit einen rotatorisch betätigten Absperrkörper aufweist. Ein solches Gasregelventil findet beispielsweise als Drallklappe, Drosselklappe oder Niederdruck-Abgasrückführventil Verwendung.
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Um bei einem rotatorisch betätigten Absperrkörper beispielsweise eine gewünschte Untersetzung zu erreichen, kann die Absperreinheit ein zwischen der Antriebseinheit und dem Absperrkörper angeordnetes Planetengetriebe aufweisen.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, ist das Gasregelventil insbesondere als eine Art Baukastensystem ausgebildet, d. h. zu der modular ausgebildeten Antriebseinheit können verschiedene Absperreinheiten kombiniert werden, insbesondere eine Absperreinheit mit einem linear betätigten Absperrkörper sowie eine Absperreinheit mit einem rotatorisch betätigten Absperrkörper, wodurch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten gegeben sind.
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Bevorzugt greift die Failsafe-Einheit an einem Sonnenrad an, das im Normalbetrieb von der Antriebseinheit angetrieben wird. Dadurch ergibt sich eine baulich einfache und platzsparende Konstruktion, bei der die Failsafe-Einheit den Antrieb in der Betätigungsrichtung unterstützt, in der der Absperrkörper in die als Failsafe-Stellung definierte Position gebracht wird.
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Um eine Verschmutzung des Gasregelventils möglichst gering zu halten und somit dessen gleichbleibende Funktion zu sichern, weist die Absperreinheit vorzugsweise ein Gehäuse mit einer Durchführung für den Schaft auf, wobei im Bereich der Durchführung eine Abdichtung, insbesondere in Form eines Wellendichtrings, vorgesehen ist. Dabei ist die Durchführung z. B. als Gleitlager ausgeführt, und die Abdichtung befindet sich vom Absperrkörper aus gesehen hinter dem Gleitlager, also innerhalb des Gehäuses.
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Zur weiteren Verringerung einer möglichen Verschmutzung des Gasregelventils kann im Bereich der Durchführung wenigstens eine dem Schaft zugewandte, nahe der Oberfläche des Schafts endende Schabekante vorhanden sein zum Abschaben von sich auf dem im ausgefahrenen Zustand des Schafts dem Gas, insbesondere Heißgas, ausgesetzten Abschnitt des Schafts befindlichen Ablagerungen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Absperreinheit einen Hitzeschild auf, der ein Gehäuse der Absperreinheit auf der dem Absperrkörper zugewandten Seite zumindest im Bereich des Schafts umgibt und insbesondere aus Edelstahl gefertigt ist. Der Hitzeschild gewährleistet den sicheren Betrieb und steigert die Robustheit beim Einsatz im heißen Abgas. Zudem kann ein solcher Hitzeschild zugleich als Grobschmutzkappe dienen, die einen Kondensateintrag in die Lagerung des Schafts zumindest verringert.
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Vorteilhaft weist die Absperreinheit ein Gehäuse mit einer integrierten Kühlung auf, durch die gewährleistet ist, dass das Gasregelventil nicht überhitzt wird. Die integrierte Kühlung befindet sich vorzugsweise im Bereich der Failsafe-Einheit, sodass auch die zuverlässige Einstellung der Failsafe-Position stets gewährleistet ist.
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Insbesondere weist die Kühlung wenigstens einen Kühlkanal auf, der in das Gehäuse gebohrt ist, etwa bei einem Gehäuse aus Aluminium.
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Alternativ kann das Gehäuse als Gussteil ausgeführt sein, wobei der wenigstens eine Kühlkanal als umgossenes Rohr ausgeführt oder durch Umgießen eines verlorenen Kernes gebildet ist. Dabei ist unter einem Gussteil sowohl ein Spritzgussteil aus Kunststoff als auch ein Formgussteil aus Metall zu verstehen, wobei jeweils vor dem Gießen die Kanäle in Form von Rohren in die Gussform eingelegt oder durch einen Sand- oder Salzkern gebildet werden.
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Wie bereits erwähnt, ist der Schaft bevorzugt an mindestens zwei Lagerstellen gelagert, wodurch Querkräfte auf den Schaft bzw. die Abtriebsachse vermieden werden. Dabei erfolgt die Lagerung bevorzugt im Bereich der Antriebseinheit und im Bereich der Absperreinheit.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Absperrkörper eine Geometrie auf, durch die beim Öffnen des Absperrkörpers aus der Schließstellung ein Strömungsquerschnitt zunächst langsam freigegeben wird. Eine solche Ausgestaltung, bei der beispielsweise bei den ersten 30% der Ventilöffnung der Strömungsquerschnitt nur sehr langsam freigegeben wird, erleichtert die Regelung des Ventils insbesondere im Bereich kleiner Durchflussmengen.
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Hierzu kann der Absperrkörper einen konischen oder kugeligen Randbereich aufweisen, der wenigstens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Geometrien umfasst. Insbesondere ist dabei der Randbereich annähernd konkav ausgebildet, weist also z.B. zwei Abschnitte mit unterschiedlichem Konuswinkel auf, so dass bei geringem Ventilhub nur ein geringer Strömungsquerschnitt freigegeben wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Absperrkörper in einem Randbereich einen halbringförmigen Ansatz aufweisen, der in der Schließstellung von einem halbringförmigen Ansatz an einem zugeordneten Ventilsitz zu einem vollen Kreisring ergänzt wird. Dies ist insbesondere bei einer Absperreinheit mit einem linear betätigten Absperrkörper, der zugleich eine Drehbewegung ausführt, von Vorteil. Bei geringem Ventilhub wird ein Strömungsquerschnitt für den Abgasstrom zunächst nur langsam freigegeben. Im vollständig geöffneten Zustand des Ventils liegen die beiden kragenartigen Ansätze bevorzugt auf der dem Abgasstrom abgewandten Seite und beeinträchtigen die Strömung somit nicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1a und 1b verschiedene Perspektivansichten eines Fahrzeug-Abgasventils gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- - 2 eine Schnittansicht des Gasregelventils aus 1;
- - 3a eine Perspektivansicht, teilweise geschnitten, einer geringfügig modifizierten Absperreinheit des Gasregelventils aus den 1 und 2;
- - 3b eine Perspektivansicht einer Antriebseinheit des Gasregelventils aus den 1 und 2;
- - 3c eine Perspektivansicht einer Absperreinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform, die beim Gasregelventil der 1 und 2 alternativ eingesetzt werden kann;
- - 4a und 1b Perspektivansichten, teilweise transparent, von zwei Gehäusevarianten für eine Absperreinheit eines erfindungsgemäßen Gasregelventils;
- - 5 einen Halbschnitt durch einen Teil einer Absperreinheit gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gasregelventils;
- - 6a und 1b Schnittansichten eines konventionellen Absperrkörpers im Einbauzustand des erfindungsgemäßen Gasregelventils;
- - 7a und 1b Schnittansichten eines Absperrkörpers mit spezieller Geometrie im Einbauzustand bei einem Gasregelventil gemäß einer Weiterbildung der Erfindung;
- - 8 ein Diagramm, das die Durchflusscharakteristiken der Gasregelventile aus den 6 und 7 illustriert; und
- - 9a bis c perspektivische Teilschnittansichten eines Absperrkörpers im Einbauzustand bei einem Gasregelventil gemäß einer Weiterbildung der Erfindung.
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Die 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Gasregelventil 10, das insbesondere für die Abgasrückführung eingesetzt wird. Das Gasregelventil 10 weist eine Antriebseinheit 12 (siehe auch 3b) sowie eine weitestgehend der in 3a separat gezeigten Absperreinheit entsprechende Absperreinheit 14 auf, die miteinander gekoppelt werden.
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Die Antriebseinheit 12 umfasst einen elektronisch kommutierten Motor 16, der mehrere Statorspulen 18 aufweist, die konzentrisch um einen magnetischen Rotor 20, insbesondere einen Neodym-Magneten, angeordnet sind.
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Der hülsenartige Rotor 20 ist fest mit einer ersten Gewindemutter 22 verbunden, die mit Bezug auf eine gedachte Mittelachse M des Heißgassteuersystems 10 innerhalb des Rotors 20 angeordnet ist und zusammen mit diesem durch den Motor 16 in Drehung versetzt werden kann.
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In der ersten Gewindemutter 22 ist ein erster Gewindeabschnitt 24 einer Gewindespindel 26 gelagert, die Teil eines Schafts 28 der Absperreinheit 14 ist.
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Mit dem Schaft 28 ist ein Absperrkörper 30 gekoppelt, der bei der in den 1, 2 und 3a gezeigten Ausführung als Ventilteller ausgebildet ist. Dabei erstreckt sich der Schaft 28 entlang der Mittelachse M, die zugleich die Abtriebsachse 32 des Motors 16 bzw. der Antriebseinheit 12 bildet. Somit ist also auch der Absperrkörper 30 unmittelbar auf der (verlängerten) Abtriebsachse 32 der Antriebseinheit 12 angeordnet.
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Zum Zwecke der Positionsbestimmung des Schafts 28 ist dieser mit einen Linearsensor 33 gekoppelt.
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Die Gewindespindel 26 weist einen zweiten Gewindeabschnitt 34 auf, der längs der Mittelachse M vom ersten Gewindeabschnitt 24 beabstandet ist und mit dem die Gewindespindel 26 bzw. der Schaft 28 in einer zweiten Gewindemutter 36 gelagert ist, die wiederum fest mit einem Gehäuse 38 der Absperreinheit 14 verbunden, hier über Schrauben 40 verschraubt ist. Dabei weisen die Gewinde der beiden Gewindeabschnitte 24 und 34 die gleiche Steigung auf, sind jedoch gegenläufig ausgeführt.
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Der zweite, gegenläufige Gewindeabschnitt kann auch entfallen, dementsprechend sind die Stellgeschwindigkeiten schneller, allerdings erkauft durch eine geringere Haltekraft. Der Schaft führt dann eine rein axiale Bewegung durch.
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Das Gehäuse 38 der Absperreinheit 14 hat eine Durchführung 42 für den Schaft 28, die neben der ersten Gewindemutter 22 und der zweiten Gewindemutter 36 eine dritte Lagerung für den Schaft 28 bildet. Die Durchführung 42 ist in einer Gleitlagerbuchse 44 ausgebildet, die ebenfalls über die Schrauben 40 mit dem Gehäuse 38 verbunden ist.
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Zwischen der Gleitlagerbuchse 44 und der zweiten Gewindemutter 36 ist im Bereich der Durchführung 42 eine Abdichtung 46, hier in Form eines Wellendichtrings, vorgesehen. Diese befindet sich vom Absperrkörper 30 aus gesehen hinter der Gleitlagerbuchse 44, also innerhalb des Gehäuses 38.
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Zudem ist im Bereich der Durchführung 42 ein Hitzeschild 48 vorgesehen, der insbesondere aus Edelstahl gefertigt ist und das Gehäuse 38 der Absperreinheit 14 auf der dem Absperrkörper 30 zugewandten Seite im Bereich des Schafts 28 umgibt. Der Hitzeschild 48 dient zugleich als Grobschmutzkappe gegen übermäßigen Kondensateintrag in die Durchführung 42.
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Weiterhin weist die Absperreinheit 14 eine integrierte Failsafe-Einheit 50 auf. Diese ist als federvorgespanntes Planetengetriebe ausgebildet und umfasst ein Hohlrad 52, an dem eine sich am Gehäuse 38 abstützende Feder 54 angreift, drei Planetenräder 56 sowie ein Sonnenrad 58. Das Sonnenrad 58 ist dabei als eine Art Hülse ausgebildet, die ebenfalls fest mit der ersten Gewindemutter 22 verbunden ist und somit vom Motor 16 über den Rotor 20 angetrieben wird.
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Wie zudem aus 2 ersichtlich ist, ragt das Sonnenrad 58, das einen Teil der Antriebseinheit 12 bildet, relativ weit aus der Antriebseinheit 12 heraus und umgreift die zweite Gewindemutter 36, ist jedoch von dieser entkoppelt. Dies ist insbesondere auch in 3a, die die Absperreinheit 14 zeigt, sowie in 3b, die die Antriebseinheit 12 zeigt, zu erkennen.
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Ferner hat die Absperreinheit 14 eine in das Gehäuse 38 integrierte Kühlung 60, die wenigstens einen Kühlkanal 62 umfasst, in den über zwei außen am Gehäuse 38 vorgesehene Anschlussstutzen 64 ein Kühlmittel zugeführt (und wieder abgeführt) werden kann.
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Dabei kann der Kühlkanal 62 direkt in das Gehäuse 38 gebohrt sein, etwa bei einem Gehäuse 38 aus Aluminium. Diese Variante ist in der 4a gezeigt. Alternativ kann das Gehäuse 38 ein Gussteil, insbesondere Spritzgussteil, sein, wobei der Kühlkanal 62 als umgossenes Metallrohr (z.B. aus Kupfer) ausgeführt ist (siehe 4b).
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In einer weiteren Variante können der bzw. die Kühlkanäle 62 durch Umgießen eines verlorenen Kernes, etwa eines Salzkernes, im Gehäuse 38 gebildet werden.
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Die Kühlung 60, insbesondere in Kombination mit dem Hitzeschild 48, bewirkt eine thermische Entkopplung der Antriebskomponenten und der Elektronik vom heißen Abgas. Letzteres kann Temperaturen bis zu 850 °C aufweisen, während bei der gezeigten Ausgestaltung mit Kühlung 60 und Hitzeschild 48 im Inneren des Gehäuses 38 maximal 150 - 160 °C herrschen.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des Heißgassteuersystems 10 erläutert.
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Um den Absperrkörper 30, der sich z.B. in der geschlossenen Stellung befindet, in eine geöffnete Stellung zu bringen, wird der Motor 16 betätigt, indem an die Statorspulen 18 ein gesteuertes, schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld angelegt wird. Dadurch wird der Rotor 20 und mit ihm die erste Gewindemutter 22 um einen gewissen Winkel bzw. mehrere Umdrehungen gedreht. Durch die Drehung der Gewindemutter 22 kommt es zu einer linearen Bewegung der Gewindespindel 26 bzw. des Schafts 28, wobei sich der Schaft 28, bedingt durch den zweiten Gewindeabschnitt 34 und die Tatsache, dass die zweite Gewindemutter 36 gehäusefest ist, drehend weiter in das Gehäuse 38 hinein bewegt. Die Antriebsachse 32 ist also gleichzeitig eine Antriebswelle. Der Schaft 28 vollführt also zugleich eine Dreh- wie auch eine lineare Bewegung. Dabei wird die Feder 54 der Failsafe-Einheit 50 (weiter) vorgespannt, da die Failsafe-Einheit 50 über die Planetenräder 56 am Sonnenrad 58 angreift, das aufgrund der Kopplung mit der Gewindemutter 22 ebenfalls vom Motor 16 angetrieben wird.
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Um den Absperrkörper 30 in die Schließstellung zu bringen, dreht der Motor 16 den Rotor 20 und damit die erste Gewindemutter 22 in die entgegengesetzte Richtung, diesmal mit Unterstützung durch die Failsafe-Einheit 50.
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Fällt die Antriebseinheit 12 aus, so bewegt die Failsafe-Einheit 50 aufgrund der vergleichsweise hohen Vorspannung der Feder 54 in der geöffneten Stellung den Absperrkörper 30 in eine definierte Failsafe-Stellung, hier die geschlossene Stellung des Absperrkörpers 30, indem sie über das Sonnenrad 58 die erste Gewindemutter 22 in Drehung versetzt.
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Das Gasregelventil 10 ist modular aufgebaut, wie insbesondere in 3 zu erkennen ist. Neben der bisher beschriebenen Antriebseinheit 14 kann mit der Antriebseinheit 12 auch eine weitere Absperreinheit 14' gekoppelt werden, die einen rotatorisch betätigten Absperrkörper (z.B. in Form einer Klappe) aufweist, der mit einem Anschlussbolzen 66 verbunden werden kann (siehe 3c). Dabei ist zwischen der Antriebseinheit 12 und dem Absperrkörper zur Erzielung einer gewünschten Untersetzung ein Planetengetriebe 68 vorgesehen, das vom Sonnenrad 58 der Antriebseinheit 12 angetrieben wird und ggf. zugleich als Failsafe-Einheit dienen kann.
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Natürlich kann auch diese rotatorisch betätigte Variante der Absperreinheit 14' sämtliche mit Bezug auf die linear betätigte Variante beschriebenen Weiterbildungen aufweisen, insbesondere den Hitzeschild 48, die Abdichtung 46 sowie die integrierte Kühlung 60. Die Antriebswelle 32 überträgt in diesem Fall ein Drehmoment.
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Die Modularität zwischen der Antriebseinheit 12 und der vorgeschalteten Absperreinheit 14, 14' erlaubt es, sowohl linear als auch rotatorisch betätigte Gasregelventile als Baukastensystem zu gestalten, wobei ein hoher Anteil an Gleichteilen vorhanden ist. Dabei können linear betätigte Gasregelventile z. B. als Abgasrückführventil, Hubventil oder Steller für einen Abgasturbolader eingesetzt werden, während rotatorisch betätigte Gasregelventile Anwendung bei Drossel- oder Drallklappen finden.
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5 zeigt eine Weiterbildung des Gasregelventils 10 bzw. der Absperreinheit 14, bei der im Bereich des Gehäuses 38 in einem zum Absperrkörper 30 weisenden Abschnitt der Gleitlagerbuchse 44 eine Ausnehmung 70 in Form eines radial durchgehenden Schlitzes vorgesehen ist, wobei die radial innenseitigen Ränder bzw. Kanten des Schlitzes bzw. der Ausnehmung 70 je eine Schabekante 72 bilden. Die Schabekanten 72 enden nahe der Oberfläche des Schafts 28 und dienen zum Abschaben von Ablagerungen, die sich im ausgefahrenen Zustand des Schafts 28 auf dem dem Heißgas ausgesetzten Abschnitt des Schafts 28 absetzen. Die Ausnehmung 70 ist z.B. in das Ventillager 20 eingefräst und hat die Form eines eckigen U. Die Schabekanten 72 verlaufen somit parallel zur Mittelachse M des Schafts 28. Natürlich kann auch der senkrecht zur Mittelachse M verlaufende Rand des Schlitzes, der den unteren Teil des eckigen U bildet, eine Schabekante 72 darstellen.
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Die 6a und 6b zeigen schematisch und ausschnittsweise das Gasregelventil 10 gemäß 2 im Einbauzustand in bzw. an einer Abgasleitung 74, wobei der Absperrkörper 30 in der in 6a gezeigten Schließstellung in seinem Randbereich 76 vollständig an einem Ventilsitz 78 anliegt und so eine Strömung aus der Abgasleitung 74 in eine Abgasrückführleitung 80 verhindert. Wird der Absperrkörper 30 in die teilweise geöffnete Stellung gemäß 6b angehoben, so wird ein Strömungsquerschnitt 82 freigegeben und ein Teil des Abgases aus der Abgasleitung 74 kann in die Abgasrückführleitung 80 strömen. Da die Druckdifferenz am Ventil während des Öffnungsvorgangs bei dieser Ausgestaltung des Absperrkörpers 30 stark abnimmt, ergibt sich bei 2 mm Hub bereits ein Durchsatz von ca. 2/3 des maximalen Abgasdurchsatzes. Dies ist aus der Kurve K1 in 8 ersichtlich.
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Um die rückgeführte Abgasmenge insbesondere im Bereich kleiner Mengen genauer dosieren zu können, kann in einer Weiterbildung der Erfindung ein Absperrkörper 30 gemäß 7a bzw. 7b eingesetzt werden. Dieser weist einen Randbereich 76 auf, der wenigstens zwei Abschnitte 84, 86 mit unterschiedlichen Geometrien, insbesondere unterschiedlichen Konuswinkeln in Bezug auf die Mittelachse des Schafts 28, umfasst. Der Randbereich 76 ist dabei annähernd konkav ausgebildet, so dass bei geringem Ventilhub von bis zu 30% des Gesamthubs der Strömungsquerschnitt 82 nur sehr langsam freigegeben wird, was die Regelung des Ventils insbesondere im Bereich kleiner Durchflussmengen erleichtert. Ein Vergleich der 6b und 7b zeigt, dass der bei 2 mm Hub freigegebene Strömungsquerschnitt 82 beim Ventil gemäß 7b nur ca. 1/3 des Strömungsquerschnitts 82 gemäß 6b beträgt.
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Wie zudem aus Kurve K2 in 8 ersichtlich ist, die die Durchflusscharakteristik des Gasregelventils 10 gemäß den 7a und 7b illustriert, ist der Durchsatz bei 2 mm Hub nur etwa halb so groß wie beim Ventil mit konventionellem Absperrkörper gemäß 6, beträgt also ca. 1/3 des maximalen Abgasdurchsatzes.
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Die 9a bis 9c zeigen eine alternative Ausgestaltung des Absperrkörpers 30 in der geschlossenen (9a), teilweise geöffneten (9b) bzw. vollständig geöffneten Stellung (9c). Dieser Absperrkörper 30 weist im Randbereich 76 einen halbringförmigen Ansatz 88 auf, der in der Schließstellung von einem halbringförmigen Ansatz 90 am Ventilsitz 78 zu einem vollen Kreisring ergänzt wird. Da beim Gasregelventil 10 mit der Absperreinheit 14 der linear betätigte Absperrkörper 30 beim Öffnen zugleich eine Drehbewegung ausführt, hier insbesondere eine halbe Drehung, wird bei geringem Ventilhub der Strömungsquerschnitt 82 für den Abgasstrom zunächst nur langsam freigegeben. Im vollständig geöffneten Zustand des Ventils (siehe 9c) liegen die beiden kragenartigen Ansätze 88, 90 auf der dem Abgasstrom abgewandten Seite und beeinträchtigen die Strömung somit nicht.
