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Die Erfindung geht aus von einem Ventil, insbesondere einem Heißgasventil, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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In der
DE 197 55 238 A1 ist ein Ventil der eingangs genannten Art offenbart, bei welchem ein Ventilschaft in zwei voneinander beabstandeten Lagerbuchsen gelagert ist. Zwischen den beiden Lagerbuchsen ist zusätzlich noch eine poröse Sintermetallbuchse als vorgesehen, um die Leckage zu verringern.
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Aus der
DE 10 2010 048 865 A1 , der
EP 0 856 657 A2 sowie der nachveröffentlichten
DE 10 2013 114 058 A1 sind Ventile bekannt, bei denen jeweils ein Ventilschaft entlang seiner Längsrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert ist. Zur Lagerung ist eine lange, durchgehende Lagerbuchse vorgesehen, in welcher der Ventilschaft gleitend gelagert ist. Aufgrund der Belastung der Lagerbuchse durch heiße Gase, insbesondere Abgase einer Brennkraftmaschine, ist die Lagerbuchse starken Belastungen durch hohe Temperaturen, Verschmutzungen, insbesondere Ruß, und korrosiven Angriffen durch aggressive Bestandteile im Abgas ausgesetzt. In der
DE 10 2010 048 865 A1 ist beschrieben, dass das zur Lagerung des Ventilschaftes verwendete Rohrelement entweder aus Messing oder aus Edelstahl bestehen kann. Bei modernen Abgasrückführventilen, insbesondere bei solchen, die für Brennkraftmaschinen geeignet sind, welche die europäische Emissionsnorm „Euro 6“ erfüllen, werden deshalb Ventilschaft und Lagerbuchse aus rostfreiem Edelstahl hergestellt. Dadurch treten keine Korrosionsprobleme an der Lagerung auf. Durch die Gleitbewegung zwischen Ventilschaft und Lagerbuchse beim Öffnen und Schließen des Ventils kommt es zu relativ hohem Verschleiß an der Lagerbuchse, insbesondere dann, wenn die zur Verschiebung des Ventilschafts vorgesehene Antriebseinrichtung neben der in Längsrichtung wirkenden Stellkraft auch noch eine in radialer Richtung des Ventilschafts gerichtete Kraftkomponente auf diesen ausübt.
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In der nicht gattungsgemäßen
DE 11 2010 005 282 T5 ist ein Abgasrückführventil grundsätzlich anderer Bauart offenbart, nämlich ein Klappenventil mit einer schwenkbaren Klappe zur Steuerung des Abgasstroms. Die Klappe sitzt auf einer drehbaren Ventilwelle, welche mittels eines Radialrillenkugellagers und zwei Gleitlagerhülsen gelagert ist, da bei derartigen Klappenventilen ausschließlich eine Drehbewegung der Ventilwelle auftritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu verbessern und seine Standzeit zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere ein Hubventil, kann insbesondere in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine bei einer Abgasrückführung eingesetzt werden und wird in diesem Fall auch als Abgasrückführventil bezeichnet. Es kann im Hochdruck-Abgasstrang von Euro-6-Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt werden, in welchem die Abgase hohe Temperaturen im Bereich von über 700 °C aufweisen. Das Ventil enthält ein Gehäuse mit einem Kanal zur Führung von Gasen und einen nicht gasführenden Antriebsraum, in welchem eine Antriebseinrichtung zum Öffnen und Schließen des Ventils angeordnet sein kann.
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Das Ventil enthält einen Ventilschaft, welcher entlang seiner Längsrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert ist und sich vom Antriebsraum bis in den Kanal erstreckt. Der Ventilschaft ist mittels der Antriebseinrichtung translatorisch bewegbar. An dem in den Kanal ragenden Ende des Ventilschafts ist ein im Kanal befindlicher Schließkörper befestigt, welcher mit einem im Gehäuse angeordneten Ventilsitz zusammenwirken kann und eine Schließstellung hat, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals trennt. Das im Antriebsraum befindliche Ende des Ventilschafts ist mit einer Antriebseinrichtung koppelbar. Zwischen dem Kanal und dem Antriebsraum ist ein den Ventilschaft umgebender Dichtring angeordnet. Der Dichtring kann insbesondere als Wellendichtring ausgebildet sein. Der Ventilschaft ist in zwei voneinander beabstandeten Lagerbuchsen gelagert, zwischen denen der Dichtring angeordnet ist. Der Ventilschaft kann wenigstens einen kreiszylindrischen Abschnitt aufweisen, auf welchem die Lagerbuchsen angeordnet sind.
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Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Durch die Erfindung lässt sich die wirksame Lagerlänge im Innern des Ventils vergrößern, ohne dass sich die Außenabmessungen des Ventils ändern.
- • Die vergrößerte wirksame Lagerlänge führt zu wenige Verschleiß und einer längeren Einsatzfähigkeit des Ventils.
- • Dies ist insbesondere bei Abgasrückführventilen vorteilhaft, da in modernen Kraftfahrzeugen der für jede Komponente zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist und eine Vergrößerung der Außenabmessungen des Ventils nicht akzeptabel ist.
- • Die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse wird durch die zwischen ihr und dem Kanal angeordnete Dichtung sehr gut vor den im Kanal strömenden Gasen geschützt und abgeschirmt, so dass sie durch heiße und korrosive Gase nicht belastet wird.
- • Die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse kann, insbesondere wenn sie aus Edelstahl besteht, durch ein Schmierfett, insbesondere ein PTFE-haltiges Schmierfett, geschmiert werden. Durch die zwischen ihr und dem Kanal angeordnete Dichtung gelangt kein Schmierfett in die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse, wo Schmierfett nachteilig sein kann, da es dort zu vermehrter Schmutzpartikelanhaftung führen kann.
- • Die genannten Vorteile sind besonders groß, wenn die Antriebseinrichtung neben der in Längsrichtung des Ventilschafts wirkenden Stellkraft auch eine radial auf den Ventilschaft wirkende Kraftkomponente verursacht, beispielsweise wenn der Antrieb des Ventilschafts über eine Kurvenscheibe oder Kulissenführung erfolgt. Eine radiale Kraftkomponente belastet vor allem die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse in hohem Maße, welche aufgrund der Erfindung näher an der Wirkungsstelle der Radialkraft angeordnet wird. Dies führt zu einer geringeren Belastung dieser Lagerbuchse. Gleichzeitig wird durch die vergrößerte wirksame Lagerlänge auch die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse entlastet.
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Erfindungsgemäß ist der Ventilschaft in zwei voneinander getrennten Lagerbuchsen gelagert, welche aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Durch die unterschiedlichen Werkstoffe der beiden Lagerbuchsen lässt sich für jede der Lagerbuchsen separat der günstigste Werkstoff auswählen, so dass der Verschleiß verringert und die Standzeit des Ventils erhöht wird. Die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse kann aus korrosionsbeständigem Edelstahl, insbesondere wärmebeständigem rostfreiem Edelstahl, beispielsweise einem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4305, bestehen. Der Ventilschaft kann ebenfalls aus korrosionsbeständigem Edelstahl bestehen. Die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse kann aus Buntmetall, insbesondere einer Kupferbasislegierung, bestehen. Geeignet ist beispielsweise eine Kupfer-ZinkLegierung (Messing) oder eine Kupfer-Zinn-Legierung (Bronze). Nach bisheriger Auffassung musste in Heißgasventilen zur Lagerung des Ventilschafts Edelstahl als Lagerwerkstoff eingesetzt werden, damit die Lagerung den hohen Anforderungen durch hohe Temperaturen und aggressive Substanzen in über 700 °C heißen Abgasen eines Verbrennungsmotors standhält. Überraschend hat es sich nun gezeigt, dass durch eine Teilung einer langen Lagerbuchse in zwei voneinander getrennte Lagerbuchsen, von denen die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse weiterhin aus einem Edelstahl besteht, es möglich wird, für die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse ein Buntmetall zu verwenden, welches einen günstigen Werkstoffpartner für die Gleitlagerung des aus Edelstahl bestehenden Ventilschafts darstellt.
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In weiterer Ausgestaltung kann zwischen der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse und dem Dichtring ein freier Ringraum angeordnet sein, welcher den Ventilschaft umgibt. Der freie Ringraum kann als Schmutzsammelraum für Partikel dienen, welche in die näher am Kanal angeordnete Lagerbuchse eindringen, so dass der Schmutz nicht zu einem Klemmen des Ventilschafts in der Lagerbuchse führen kann. An die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse kann sich eine Schutzhülse anschließen, welche sich von dieser Lagerbuchse in Richtung des Schließkörpers erstreckt und den Ventilschaft mit einem Abstand umgibt. Die Schutzhülse senkt die Temperaturbelastung auf den Ventilschaft und schützt die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse vor zu starker Verschmutzung. Die Schutzhülse kann einteilig mit der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse oder als separates Teil ausgestaltet sein. Eine getrennt von der Lagerbuchse ausgeführte Schutzhülse kann beispielsweise direkt in das Gehäuse eingepresst sein.
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Der Außendurchmesser des Dichtrings kann zumindest dem Außendurchmesser eines der beiden Lagerbuchsen, insbesondere auch dem Außendurchmesser beider Lagerbuchsen, entsprechen. Der Dichtring und die wenigstens eine Lagerbuchse mit gleichem Außendurchmesser können in eine gemeinsame zylindrische Bohrung des Gehäuses eingesetzt werden, wodurch die Herstellung des Ventils vereinfacht wird. Die gemeinsame zylindrische Bohrung kann auch als Stufenbohrung ausgebildet sein, wobei der Durchmesser der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse kleiner, insbesondere einige Zehntel Millimeter, als der Durchmesser des Dichtrings und dieser wiederum kleiner als der Durchmesser der weiter vom Kanal entfernten Lagerbuchse ausgebildet ist. Dies kann insbesondere die Montage vereinfachen. Für eine von der Lagerbuchse getrennte Schutzhülse kann ein Durchmesser vorgesehen sein, der kleiner als der Durchmesser der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse ist.
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Das Verhältnis von der wirksamen Lagerlänge, welche als Abstand der Außenkanten der beiden Lagerbuchsen definiert ist, zu dem Abstand zwischen einer von der Antriebseinrichtung ausgeübten Radialkraft und der weiter vom Kanal entfernten Lagerbuchse kann zwischen 1,2 und 1,8, insbesondere etwa 1,5, betragen und ist damit wesentlich größer als das entsprechende Verhältnis bei bekannten Ventilen. Hierdurch kann ein durch die Radialkraft verursachtes Kippen des Ventilschafts in den Lagerbuchsen sowie deren Verschleiß reduziert werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch ein bekanntes Ventil, welches durch die Erfindung verbessert wird,
- 2 einen schematisch vereinfachten Ausschnitt aus dem bekannten Ventil der 1,
- 3 einen dem Ausschnitt der 2 entsprechenden und in gleicher Weise schematisch dargestellten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß verbesserten Ventil.
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In 1 ist ein Ventil 1 mit einem Gehäuse 2 dargestellt, welches als Heißgas-Abgasrückführventil ausgebildet ist und einen Kanal 4 zur Führung von Abgasen enthält. Das Ventil 1 enthält einen Ventilschaft 6, welcher in einer im Gehäuse 2 sitzenden Lagerbuchse 8 entlang seiner Längsrichtung verschiebbar gelagert ist. Das Ventil 1 enthält einen nicht gasführenden Antriebsraum 10, in welchem eine Antriebseinrichtung 11 angeordnet ist. Der Ventilschaft 6 erstreckt sich von dem Kanal 4 bis in den Antriebsraum 10. Das im Antriebsraum 10 befindliche Ende 12 des Ventilschafts 6 ist mit der Antriebseinrichtung 11 gekoppelt. Die Antriebseinrichtung 11 enthält eine über einen nicht dargestellten Drehantrieb drehbare Welle 14, auf welcher eine Kurvenscheibe 16 drehfest angebracht ist. Am Ende 12 des Ventilschafts 6 ist eine frei drehbar gelagerte Rolle 18 angebracht, welche mit der Kurvenscheibe 16 zusammenwirkt.
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An dem im Kanal 4 befindlichen Ende 20 des Ventilschafts 6 ist ein Schließkörper 22 befestigt, welcher mit einem am Gehäuse 2 ausgebildeten Ventilsitz 24 zusammenwirkt und eine Schließstellung hat, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals 4 von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals 4 trennt. In 1 ist der Schließkörper 22 in seiner Schließstellung dargestellt, in welcher er am Ventilsitz 24 anliegt. In der Ansicht der 1 lässt sich durch eine Drehung der Welle 14 im Uhrzeigersinn über die Kurvenscheibe 16 und die Rolle 18 der Ventilschaft 6 nach unten verschieben, so dass sich der Schließkörper 22 vom Ventilsitz 24 abhebt und den Durchgang im Kanal 4 öffnet.
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Durch den Kurvenscheibenantrieb 11 des Ventilschafts 6 wird auf dessen Ende 12 neben der in Längsrichtung des Ventilschafts 6 wirkenden Längskraft F1 auch eine quer dazu wirkende Radialkraft F2 ausgeübt, welche für die Lagerbuchse 8 eine hohe Belastung ist.
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Zwischen dem Kanal 4 und dem Antriebsraum 10 ist ein Dichtring 26 angeordnet, welcher den Ventilschaft 6 umgibt und verhindert, dass Abgase aus dem Kanal 4 in den Antriebsraum 10 gelangen. An die Lagerbuchse 8 schließt sich eine Schutzhülse 28 an, welche sich von der Lagerbuchse 8 in Richtung des Schließkörpers 22 erstreckt und den Ventilschaft 6 mit einem Abstand umgibt. Die Schutzhülse 28 schirmt den Ventilschaft 6 vor den heißen Abgasen ab.
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In 2 ist der Ventilschaft 6 aus 1 und der ihn umgebende Bereich noch einmal schematisch dargestellt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die von der Kurvenscheibe 16 in Längsrichtung des Ventilschafts 6 auf dessen Ende 12 wirkende Stellkraft zum Öffnen des Ventils ist in 2 mit F1 bezeichnet. Neben der Längskraft F1 wird auch eine radial auf das Ende 12 wirkende Kraftkomponente F2 von der Kurvenscheibe 16 verursacht. Die Radialkraft F2 hat einen Abstand a1 von der Lagerbuchse 8 und bewirkt ein Kippen des Ventilschafts 6 in der Lagerbuchse 8, so dass der in 2 konzentrisch zur Lagerbuchse 8 dargestellte Ventilschaft 6 im Betrieb nur an zwei Punkten, nämlich oben links und unten rechts, an der Lagerbuchse 8 anliegt. Die Platzverhältnisse in modernen Kraftfahrzeugen sind sehr beengt, so dass sich die Länge b1 der Lagerbuchse 8 nicht vergrößern lässt. Bei den bekannten Ventilen kann der Abstand a1 und die Lagerlänge b1 jeweils 25 mm betragen. Das Verhältnis von b1 zu a1 beträgt typischerweise etwa 1 oder liegt sogar darunter. Dies kann zu einem schnellen Verschleiß der Lagerbuchse 8 führen, so dass ein Austausch des Ventils 1 erforderlich wird.
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Anhand der schematischen Darstellung der 3, in welcher gleiche Teile wiederum mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, wird ein erfindungsgemäßes Ventil 1 näher erläutert. Die schnell verschleißende Lagerbuchse 8 wird durch zwei voneinander getrennte Lagerbuchsen 81 und 82 ersetzt. Durch den dazwischen angeordneten Dichtring 26 ist die Lagerbuchse 82 sehr gut vor den im Kanal 4 strömenden heißen und aggressiven Abgasen geschützt. Das Gehäuse 2 wird dabei nicht vergrößert. Die Lagerbuchse 81 wird durch die Schutzhülse 28 fortgesetzt, welche getrennt von der Lagerbuchse 81 ausgebildet ist und in nicht näher dargestellter Weise in einem Press-Sitz im Gehäuse 2 sitzt. Die näher am Kanal 4 befindliche Lagerbuchse 81 besteht weiterhin aus Edelstahl. Die weiter vom Kanal 4 entfernte Lagerbuchse 82 kann aus Messing bestehen und gegebenenfalls geschmiert sein. Ansonsten ist das erfindungsgemäße Ventil 1 entsprechend der 1 ausgestaltet.
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Durch die Erfindung lässt sich der Abstand a2 der Radialkraft F2 von der Lagerbuchse 82 verringern, beispielsweise auf etwa 20 mm. Gleichzeitig vergrößert sich die wirksame Lagerlänge b2 , welche als Abstand der Außenkanten der beiden Lagerbuchsen 81, 82 definiert ist, beispielsweise auf etwa 30 mm. Das Gesamtmaß a2 + b2 wird dabei nicht verändert und ist gleich dem Gesamtmaß a1 + b1. Das Verhältnis von b2 zu a2 beträgt zwischen 1,2 und 1,8, insbesondere etwa 1,5, und ist damit wesentlich größer als das Verhältnis von b1 zu a1 . Hierdurch wird das durch die Radialkraft F2 verursachte Kippen des Ventilschafts 6 in den Lagerbuchsen 81, 82 reduziert. Der in 2 konzentrisch zu den Lagerbuchsen 81, 82 dargestellte Ventilschaft 6 liegt im Betrieb somit nur oben links an der Lagerbuchse 82 und unten rechts an der Lagerbuchse 81 an. Der Abstand dieser beiden Anlagepunkte entspricht der wirksamen Lagerlänge b2 , welche gegenüber der Lagerlänge b1 vergrößert ist. Bei unverändertem Lagerspiel verringert sich folglich das Kippen des Ventilschafts 6 in signifikanter Weise. Es kann eine erhebliche Reduzierung der Belastung der Lagerbuchsen 81, 82 erreicht werden, ohne dass sich der benötigte Bauraum vergrößert.
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Der Außendurchmesser des Dichtrings 26 kann dem Außendurchmesser der beiden Lagerbuchsen 81, 82 entsprechen, so dass alle drei Bauteile in einer durchgehenden zylindrischen Bohrung im Gehäuse 2 montiert werden können.
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Zwischen der Lagerbuchse 81 und dem Dichtring 26 wird ein freier Ringraum 30 gebildet, welcher den Ventilschaft 6 umgibt und Schmutzpartikel, welche in den Lagerspalt zwischen dem Ventilschaft 6 und der Lagerbuchse 81 eindringen und in Richtung zum Dichtring 26 wandern, aufnehmen kann, so dass ein Verklemmen des Ventilschafts 6 vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Gehäuse
- 4
- Kanal
- 6
- Ventilschaft
- 8
- Lagerbuchse
- 10
- Antriebsraum
- 11
- Antriebseinrichtung
- 12
- Ende des Ventilschafts
- 14
- Welle
- 16
- Kurvenscheibe
- 18
- Rolle
- 20
- Ende des Ventilschafts
- 22
- Schließkörper
- 24
- Ventilsitz
- 26
- Dichtring
- 28
- Schutzhülse
- 30
- Ringraum
- 81
- Lagerbuchse
- 82
- Lagerbuchse
- a1
- Abstand
- a2
- Abstand
- b1
- Lagerlänge
- b2
- Lagerlänge
- F1
- Längskraft
- F2
- Radialkraft
