DE102015115480A1

DE102015115480A1 - Klappeneinrichtung

Info

Publication number: DE102015115480A1
Application number: DE102015115480.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Heinz Kornherr; Michael Edler; Michael Schleh
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappeneinrichtung zur Steuerung eines Gasstroms durch eine Rohrleitung, insbesondere eine Abgasklappeneinrichtung für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Die Klappeneinrichtung weist zumindest eine Klappe auf, die in einem, insbesondere rohrförmigen Klappengehäuse verschwenkbar angeordnet ist. Zum Lagern einer zur Verschwenkung der Klappe vorgesehenen Klappenwelle ist zumindest eine Lagereinrichtung vorgesehen, die zumindest ein Lager und eine eine Wärmesenke bereitstellende aktive und/oder passive Kühleinrichtung umfasst, mittels derer die Lagereinrichtung kühlbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappeneinrichtung zur Steuerung eines Gasstroms durch eine Rohrleitung, insbesondere eine Abgasklappeneinrichtung für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor.
Derartige Einrichtungen werden beispielsweise zum selektiven Verschließen von Abgaspfaden in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Üblicherweise ist eine Aktuierungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher eine Klappe der Einrichtung zwischen einer den Abgasstrom freigebenden und einer den Abgasstrom sperrenden Stellung verschwenkt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, eine Aktuierungseinrichtung vorzusehen, die ein teilweises Sperren des Abgasstroms ermöglicht, um eine Drosselungswirkung zu erzeugen. D.h. die Abgasklappe wird gezielt um einen bestimmten Winkel verschwenkt, um nur ein teilweise Sperrung des Abgasstroms zu bewirken.
Abgasklappen kommen in vielen Bereichen des Abgasstrangs eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz. Z.B zur Optimierung der Abgasreinigung und/oder der akustischen Eigenschaften der Abgasanlage werden Abgasklappen immer näher an den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs herangeführt. Das hat zur Folge, dass die zur Verwendung gelangenden Abgasklappen sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Gleichzeitig sollen sie aber möglichst verschleißfest und leichtgängig sein und keine Störgeräusche erzeugen. Außerdem ist zu gewährleisten, dass im Bereich der Abgasklappen keine Undichtigkeiten auftreten, die unerwünschte Abgasleckagen nach sich ziehen.
Klappeneinrichtungen der vorstehend genannten Art weisen in der Regel eine Klappe auf, die in einem, insbesondere rohrförmigen Klappengehäuse gleich welchen Querschnitts (z.B. kreisförmig oder oval) verschwenkbar angeordnet ist. Zur Verschwenkung der zumindest einen Klappe ist eine Klappenwelle vorgesehen, die an oder in dem Gehäuse gelagert ist und die mit einem entsprechenden Aktuator antriebswirksam verbunden ist. Durch den durch das Klappengehäuse strömenden heißen Abgasstrom werden all diese Komponenten der Klappeneinrichtung erheblich aufgeheizt oder gar überhitzt, was zu einer schnelleren Alterung oder sofortigen Beschädigung bis hin zum Ausfall der Komponenten führen kann.
Von den Erfindern wurde erkannt, dass die vorstehend beschriebenen Anforderungen, die an moderne Klappeneinrichtungen gestellt werden, insbesondere durch eine Verbesserung der Lagereinrichtung(en) erzielt werden können, die zur Lagerung der Klappenwelle vorgesehen ist (sind). Zu ihrem Schutz vor übermäßigen thermischen Belastungen – insbesondere eines zumindest einen Lagers der Einrichtung – ist daher erfindungsgemäß eine Kühleinrichtung vorgesehen, die eine Wärmesenke bereitstellt. Der Kühleinrichtung kann eine aktive und/oder passive Funktionsweise zugrunde liegen, um die Lagereinrichtung kühlen zu können.
Durch die Kühlung der Lagereinrichtung wird deren thermische Belastung reduziert, was ihre Lebensdauer deutlich verlängert. Mit anderen Worten wird der bei Betrieb der Klappeneinrichtung auftretende Verschleiß im Bereich der Lagereinrichtung, der zu einer Schwergängigkeit, zu Leckagen und/oder zu Störgeräuschen führen kann, deutlich reduziert. Eine Klappeneinrichtung der erfindungsgemäßen Art kann zudem im Abgasstrang näher an dem Motor positioniert werden, was zusätzlichen Gestaltungsspielraum bei der Auslegung einer Abgasanlage bietet.
Analoges gilt für Klappeneinrichtungen, die in anderen Anwendungsbereichen zum Einsatz gelangen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen dargelegt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kühleinrichtung einen Lagerkörper, der das Lager teilweise oder vollständig aufnimmt. Der Lagerkörper kann die Kühleinrichtung teilweise oder vollständig umfassen. Insbesondere ist die Kühleinrichtung zumindest teilweise in den Lagerkörper integriert, um eine möglichst kompakte Bauweise zu erzielen.
Grundsätzlich können die Kühleinrichtung und/oder der Lagerkörper einstückig ausgestaltet sein. Bei verschiedenen Ausgestaltungen der genannten Komponenten kann es jedoch vorteilhaft sein – auch aus herstellungstechnischen Gründen –, diese mehrstückig auszugestalten.
Die Kühleinrichtung oder Teile davon können an einem von dem Lagerkörper separaten Kühlkörper ausgebildet sein, der mit dem Lagerkörper wärmeleitend verbunden ist. Beispielsweise ist der Kühlkörper an dem Lagerkörper angebracht. Zur Steigerung der Effizienz der Kühlung kann der Kühlkörper den Lagerkörper zumindest abschnittsweise umgeben. Gemäß einer Ausführungsform ist der Kühlkörper hülsenförmig ausgebildet. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Lagerkörpers kann ein solcher Kühlkörper auf den Lagerkörper aufgesteckt sein.
Die Kühleinrichtung kann zur Kühlung mittels einem Kühlmittel ausgebildet sein, das dem Lagerkörper und/oder dem Kühlkörper zuführbar ist. Grundsätzlich können die unterschiedlichsten Kühlmittel zum Einsatz gelangen. In vielen Anwendungsfällen ist jedoch Wasser einfach verfügbar und stellt eine ausreichend hohe Kühlleistung zur Verfügung. Beispielsweise wird das Kühlmittel dem Kühlsystem des Motors entnommen.
Die Kühleinrichtung kann zumindest einen Kühlmittelkanal zur Förderung des Kühlmittels umfassen. Beispielsweise dient der Kühlmittelkanal zur Um- oder Durchströmung des Lagerkörpers und/oder des Kühlkörpers. Die Geometrie des Kühlmittelkanals wird durch herstellungstechnische Randbedingungen und die erforderliche Kühlleistung bestimmt. Zur Bereitstellung höherer Kühlleistungen können auch mehrere Kühlmittelkanäle vorgesehen sein. Der oder die Kühlmittelkanäle können spiralförmig ausgebildet sein und/oder gekrümmte Abschnitte aufweisen.
Gemäß einer herstellungstechnisch einfachen Ausgestaltung umfasst der zumindest eine Kühlkanal eine Vertiefung oder Nut in einer Wandung einer Bohrung, die den Lagerkörper und/oder den Kühlkörper durchquert. Beispielsweise weist der Kühlkörper eine den Lagerkörper zumindest teilweise aufnehmende Öffnung, insbesondere Bohrung auf, deren Wandung mit der genannten Vertiefung oder Nut versehen ist. Die Vertiefung oder Nut ist durch zumindest einen Kühlmittelkanal mit Kühlmittel versorgbar. Führt man den Lagerkörper in die vorstehend genannte Öffnung ein, so kommt dieser bei Betrieb der Klappeneinrichtung mit in der Vertiefung oder der Nut strömenden Kühlmittel in Kontakt und wird dadurch zuverlässig gekühlt. Die Vertiefung oder Nut kann zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kühleinrichtung der Klappeneinrichtung eine elektrische Kühleinrichtung. In den meisten Anwendungsfällen der Klappeneinrichtung steht ausreichend elektrische Energie zur Verfügung, um ein derartiges elektrisches Kühlelement zu betreiben. Im Vergleich mit einer kühlmittelbasierten Kühlung gestaltet sich die zum Betrieb des elektrischen Kühlelements erforderliche "Infrastruktur" einfacher. Das elektrische Kühlelement umfasst insbesondere zumindest ein Peltier-Element.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühleinrichtung ein Wärmerohr, das sich zumindest abschnittsweise relativ zur Klappenwelle in radialer Richtung erstreckt oder das zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung angeordnet ist. Ein Wärmerohr ist bekanntermaßen ein Wärmeüberträger, der auf vergleichsweise kleinen Querschnittsflächen relativ große Wärmemengen transportieren kann. Das grundlegende Funktionsprinzip sieht einen passiven Transport eines Arbeitsmediums in einem hermetisch gekapselten Volumen von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke vor. Im Bereich der Wärmequelle wird das Arbeitsmedium verdampft. Aufgrund einer sich wegen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke (in der Regel an gegenüberliegenden Enden des Wärmerohrs) einstellenden Druckdifferenz in dem Wärmerohr wird das verdampfte Arbeitsmedium zu der Wärmesenke transportiert, wo es kondensiert. Das kondensierte Arbeitsmedium kehrt durch Schwerkraft (Thermosiphon-Prinzip) bzw. durch Kapillarkräfte ("heat pipe"- oder Dochtprinzip) wieder zurück an das Ende des Wärmerohrs, an dem die Wärme eingeleitet wird. Ein solches Wärmerohr erlaubt eine effiziente Wärmeabfuhr, so dass die Lagereinrichtung thermisch entlastet wird.
Eine besonders effiziente Schutzwirkung wird erzielt, wenn die Kühleinrichtung zumindest abschnittsweise zwischen dem Lager und dem Klappengehäuse angeordnet ist. Die durch sie erzeugte Wärmesenke bildet dann – bildlich gesprochen – eine Art thermische Barriere.
Grundsätzlich ist es möglich, die Lagereinrichtung in an sich bekannter Weise in einem Lagerdom anzuordnen, der mit dem Klappengehäuse verbunden ist. Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Lagereinrichtung kann der Lagerkörper auch direkt an dem Klappengehäuse befestigt sein. Die Befestigung ist insbesondere gasdicht. Die Befestigung kann auch indirekt über ein weiteres Bauteil erfolgen. Der Lagerkörper kann beispielsweise durch Verschweißen mit dem Gehäuse verbunden werden. Gleiches gilt für den Kühlkörper, so vorhanden. Bei einer direkten Verbindung des Lagerkörpers und/oder des Kühlkörpers mit dem Klappengehäuse kann der Lagerdom entfallen.
Das Lager kann ein Axial- oder Radiallager sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Lager die beiden genannten Funktionalitäten bereitstellt.
Als unterstützende Maßnahme kann das Klappengehäuse zumindest abschnittsweise – insbesondere im Bereich der Lagereinrichtung – isoliert sein. D.h. es ist eine Isolierung des Gehäuses vorgesehen, beispielsweise mittels eines Luftspalts – mit oder ohne Isolierungsmaterial (z.B. Gewebe- oder Fasermaterial) – und/oder mittels einer Isolierungsschicht (z.B. Gewebe- oder Fasermatte). Die von der Kühleinrichtung abzuführende Wärmemenge wird dadurch reduziert.
Vorzugsweise ist das Lager ein Gleitlager, insbesondere ein Graphitlager, ein Keramiklager oder ein Sinterlager.
Gemäß einer Ausführungsform der Klappeneinrichtung nimmt der Lagerkörper zwei Lager auf. Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform an einer der Klappe bzw. dem Klappengehäuse zugewandten Seite des Lagerkörpers ein Radiallager angeordnet, während an einer der Klappe bzw. dem Klappengehäuse abgewandten Seite des Lagerkörpers ein Axiallager vorgesehen ist. Insbesondere ist das Radiallager ein Sinterlager, das vergleichsweise temperaturbeständig ist, während das Axiallager ein Graphitlager oder ein Keramiklager ist, die vergleichsweise verschleißfest sind und eine gute Dichtwirkung aufweisen. Bei dieser Bauform werden die jeweils vorteilhaften Eigenschaften eines Sinterlagers einerseits und eines Graphit- bzw. Keramiklagers andererseits genutzt. Das temperaturempfindlichere Graphit- bzw. Keramiklager ist dabei weiter von der Wärmequelle – dem heißen Gasstrom – entfernt als das temperaturresistentere Sinterlager.
Die Klappeneinrichtung kann eine elektrisch betreibbare Aktuierungseinrichtung zur Aktuierung der Klappeneinrichtung umfassen. Beispielsweise ist die Klappenwelle durch einen geeigneten Motor stufenlos oder in diskreten Schritten verschwenkbar. Derartige elektrisch betreibbare Aktuierungseinrichtungen ermöglichen auf einfache Weise die Realisierung verschiedenster Klappenstellungen, was bei pneumatischen Aktuierungssystemen – wenn überhaupt – nur auf vergleichsweise komplexe Weise realisierbar ist, sodass sich mit diesen in der Regel nur eine vollständig offene und eine vollständig geschlossene Klappenstellung einstellen lässt.
Die Klappenwelle kann durch eine Vorspanneinrichtung mit einer Kraft in Richtung zu dem Klappengehäuse hin beaufschlagt sein, um die Klappe zuverlässig in der gewünschten Position zu halten und um eine Gasdichtheit der Klappeneinrichtung zu gewährleisten. Die Klappenwelle kann sich über eine Schulter und/oder über ein mit der Klappenwelle drehfest verbundenes Bauteil in axialer Richtung an dem Lager abstützen. Das vorstehend genannte Bauteil kann beispielsweise eine Kappe oder ein Flanschabschnitt sein.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Klappeneinrichtung herkömmlicher Bauart,
2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung,
3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung,
4 bis 6 verschiedene Kühlmittelkanalausgestaltungen,
7 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung,
8 eine teilweise transparente Perspektivansicht des Kühlkörpers der Ausführungsform gemäß 7, und
9 bis 13 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung.
1 zeigt eine Klappeneinrichtung 10 herkömmlicher Bauart. Die Klappeneinrichtung 10 weist ein Klappengehäuse 12 auf, das beispielsweise in eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs integriert ist. Um den Abgasstrom durch das Abgasgehäuse 12 bedarfsgerecht zu steuern, ist eine Klappe 14 vorgesehen, die das Klappengehäuse 12 in dem gezeigten geschlossenen Zustand vollständig sperrt. Die Klappe 14 ist an einer Klappenwelle 16 befestigt, die um eine Wellenachse 18 verdrehbar gelagert ist. Die Klappenwelle 16 steht in antriebswirksamer Verbindung mit einem Aktuierungssystem (nicht gezeigt).
Bei herkömmlichen Klappeneinrichtungen wird oftmals ein pneumatisches Aktuierungssystem verwendet. Derartige Systeme ermöglichen in der Regel jedoch nur ein vollständiges Öffnen oder ein vollständiges Schließen der Klappeneinrichtung 10. Bei modernen Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Abgasanlage jedoch so hoch, dass vermehrt elektrische Aktuierungssysteme zum Einsatz gelangen. Diese ermöglichen es, die Abgasklappe grundsätzlich in beliebigen Positionen zu positionieren. D.h. es sind Klappenstellungen zwischen 0° (typischerweise geöffnet) und 90° (typischerweise geschlossen) ansteuerbar. Auch Zwischenstellungen, oftmals in diskreten 1°- oder 2°-Schritten, lassen sich einstellen, um eine Drosselung des Abgasstroms zu bewirken.
Um die Klappe 14 in den verschiedenen Stellungen, insbesondere in den Zwischenstellungen, zuverlässig zu halten, sind leistungsfähige Lagereinrichtungen 20, 22 erforderlich. Die Lagereinrichtungen 20, 22 lagern die Klappenwelle 16. Sie umfassen Axial- und/oder Radiallager (in 1 nicht gezeigt), die erheblichen Belastungen ausgesetzt sind. Dies sind nicht nur mechanische Belastungen (z.B. durch Pulsationen im Gasstrom) sondern auch thermische Belastungen, da der durch die Abgasanlage strömende Abgasstrom sehr heiß ist. Insbesondere bei motornahen Applikationen, die bei modernen Fahrzeugen immer häufiger vorgesehen sind, treten derart hohe Temperaturen auf, dass die Gefahr einer Beschädigung der Lager besteht. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Graphitgleitlagern, die maximale Dauerbetriebstemperaturen von 560 bis 650°C nicht überschreiten sollten. Es ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, bei der Lagerung der Klappenwelle 16 vollständig auf Graphitlager zu verzichten. Diese sind – sofern die maximale Dauerbetriebstemperatur nicht überschritten wird – vergleichsweise verschleißfest und leichtgängig und ermöglichen eine gasdichte Lagerung der Klappenwelle 16. Außerdem treten bei dieser Art der Lagerung praktisch keine störenden Geräusche wie Quietschen oder Klappern auf. Vergleichbare Eigenschaften bieten auch Keramiklager, die allerdings ebenfalls durch hohe Betriebstemperaturen der Abgasanlage angegriffen werden können. Gleiches gilt für die anderen Komponenten der Klappeneinrichtung, die nicht gezeigt sind. Beispielsweise sind Aktuierungssysteme für Klappeneinrichtungen in der Regel für Betriebstemperaturen bei einem Dauerbetrieb von etwa 120°C ausgelegt. Auch Vorspanneinrichtungen (beispielsweise Federelemente, nicht gezeigt), mit deren Hilfe die Klappenwelle 16 gegen die Lagereinrichtung 20 gedrückt wird (in 1 nach unten), vertragen auf Dauer keine hohen Temperaturbelastungen.
All die vorstehenden Aspekte führten bisher dazu, dass die Anordnung von Klappeneinrichtungen in motornahen Bereichen als problematisch angesehen wurde. Da Klappeneinrichtungen durch eine geeignete Beeinflussung des Strömungsverhaltens des Abgases durch die Abgasanlage jedoch entscheidend dazu beitragen können, z.B. die Leistungsfähigkeit des Motors zu erhöhen bzw. dessen Verbrauch zu senken und die akustischen Eigenschaften der Abgasanlage zu optimieren, wurde nach Wegen gesucht, die Temperaturbelastung der temperatursensiblen Komponenten der Klappeneinrichtung zu senken, um die Vorteile der bekannten Lagerwerkstoffe auch bei hohen Betriebstemperaturen der Abgasanlage nutzen zu können.
2 zeigt eine Ausführungsform 10a der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung. Deren Lagereinrichtung 20 umfasst ein Lager 24, das gleichzeitig als Axiallager und als Radiallager fungiert. Einerseits wirkt das Lager 24 als Radiallager zur drehbaren Lagerung der Welle 16. Vorzugsweise ist es ein Gleitlager, beispielsweise ein Graphit- oder ein Keramiklager. Diese Lager bewirken einen gasdichten Abschluss der Lagereinrichtung 20, so dass praktisch kein Abgas aus dem Klappengehäuse 12 in die Umgebungsluft gelangt. Das Lager 24 wirkt jedoch auch als Axiallager, da sich eine Schulter 26 der Klappenwelle 16 auf dem Lager 24 abstützt. Die Klappenwelle 16 wird nämlich durch eine nicht gezeigte Vorspanneinrichtung in 2 nach unten gedrückt, um die Klappe 14 zuverlässig in der jeweils gewünschten Stellung halten zu können.
Um sicherzustellen, dass das Lager 24 nicht durch übermäßig großen Wärmeeintrag geschädigt wird, weist die Lagereinrichtung 20 eine Kühleinrichtung 28 auf. Die Kühleinrichtung 28 ist einen Lagerkörper 30 integriert, der auch das Lager 24 an dessen dem Klappengehäuse 12 abgewandten Seite aufnimmt. Die Kühleinrichtung 28 stellt eine kühlmittelbasierte Kühlung bereit. Zu diesem Zweck weist der Lagerkörper 30 einen Kühlmittelkanal 32 auf, so dass Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, durch den Lagerkörper 30 strömen kann und dadurch Wärme abführt. Der Kühlmittelkanal 32 ist über Kühlmittelflansche 34 mit einem Kühlmittelsystem verbunden. In einem Fahrzeug kann dieses System mit einem Kühlmittelkreislauf des Motors in Verbindung stehen.
Die Kühleinrichtung 28 ist zwischen dem Gehäuse 12 und dem Lager 24 angeordnet und bildet folglich eine gekühlte "Barriere", die das temperaturempfindliche Lager 24 und die anderen, nicht gezeigten Komponenten der Klappeneinrichtung 10a vor schädigendem Wärmeeintrag schützt.
Es versteht sich, dass die Lagereinrichtung 22 genauso oder so ähnlich wie die Lagereinrichtung 20 ausgebildet sein kann. Falls hier jedoch weniger temperaturempfindliche Lager zum Einsatz gelangen, kann bei der Lagereinrichtung 22 auch auf eine konventionelle Bauweise – d. h. ohne Kühleinrichtung – zurückgegriffen werden (und umgekehrt).
3 zeigt eine weitere Ausführungsform 10b der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung. Wie bei der Ausführungsform 10a ist auch hier eine in den Lagerkörper 30 integrierte Kühleinrichtung 28 vorgesehen. Anstelle des sowohl als Axial- als auch als Radiallager fungierenden Lagers 24 ist jedoch ein lediglich als Axiallager wirkendes Lager 24a vorgesehen. Da dieses keine Radiallagerung bereitstellen muss, kann es für seine Funktion optimiert werden, d.h. es kann dünner ausgestaltet sein als das Lager 24.
An seiner dem Klappengehäuse 12 zugewandten Seite nimmt der Lagerkörper 30 ein Radiallager 24b auf, das einen temperaturresistenten Lagertyp umfassen kann. Beispielsweise kann das Radiallager 24b ein Sinterlager sein, das in Bezug auf seine Funktionalität optimiert ausgestaltet sein kann. D.h. bei dem Lager 24b ist auf eine geeignete axiale Erstreckung zu achten, um die geforderte Lagerwirkung bereitstellen zu können.
Zwischen den Lagern 24a, 24b befindet sich die als Wärmesenke fungierende Kühleinrichtung 28 mit dem den Körper 30 durchquerenden Kanal 32.
Die 4 bis 6 zeigen verschiedene Ausgestaltungen des Kühlmittelkanals 32. In 4 spaltet dieser sich in zwei Kreisabschnitte auf, die eine Bohrung 36 zur Aufnahme der Klappenwelle 16 umgreifen. Es versteht sich, dass auch lediglich eines der beiden Segmente vorgesehen sein kann.
Falls eine effizientere Kühlung erforderlich ist, kann eine spiralförmige Ausgestaltung des Kühlmittelkanals 32 vorgesehen sein, wie in 5 zu sehen ist. Dadurch wird eine größere axiale Erstreckung der durch die Kühleinrichtung 28 erzeugten Wärmesenke erzeugt.
6 zeigt eine herstellungstechnisch besonders einfache Ausgestaltung der Kühleinrichtung 28. Sie weist zwei im Wesentlichen gerade Kühlmittelkanäle auf, die den Lagerkörper 30 durchqueren. Abhängig von dem zu erwartenden Wärmeeintrag können auch mehr oder weniger Kühlmittelkanäle 32 vorgesehen sein, die, falls erforderlich, sich auch in axialer Richtung (Kühlmittelkanal 32') oder schräg durch den Lagerkörper 30 erstrecken können.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform 10c der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung. Die Lagereinrichtung 20 der Klappeneinrichtung 10c weist einen von dem Lagerkörper 30 separaten Kühlkörper 38 auf. Der Kühlkörper 38 weist eine im Wesentlichen hülsenförmige Ausgestaltung auf und ist auf einen zapfenförmigen Fortsatz 40 des Lagerkörpers 30 aufgesteckt, der sich von einer flanschartigen Basis 42 des Lagerkörpers 30 erstreckt. Die Basis 42 nimmt das Lager 24 auf.
Zwar ist es grundsätzlich möglich, den Kühlkörper 38 mit den in den 4 bis 6 gezeigten Ausgestaltungen der Kühlkanäle 32 zu versehen (ober mit beliebigen anderen Kanalgeometrien). Um die Herstellungskosten der Klappeneinrichtung 10c zu senken, wird allerdings ein anderer Weg beschritten. Wie auch in 8 zu sehen ist, weist der Kühlkörper 38 eine Nut 44 auf, die zu dem Inneren einer Bohrung 36' des Kühlkörpers 38 hin offen ist. Die Bohrung 36' nimmt den Fortsatz 40 des Lagerkörpers 30 auf.
Nach einem Aufstecken des Kühlkörpers 38 auf den Fortsatz 40, wodurch die beiden Bauteile 38, 30 dicht miteinander verbunden werden, wird die offene Nut 44 durch die Außenwandung des Fortsatzes 40 in einen geschlossenen Kanal verwandelt, über einen Kanal 32 mit Kühlmittel versorgt wird. Das verwendete Kühlmittel durchströmt bei Betrieb der Einrichtung 10c somit den Kühlkörper 38 und umströmt den Lagerkörper 30.
9 zeigt eine Ausführungsform 10d der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung. Die Klappeneinrichtung 10d umfasst eine Ausgestaltung der Lagereinrichtung 20 mit einem Lagerkörper 30 ähnlich dem, der im Zusammenhang mit der Klappeneinrichtung 10c (7) beschrieben wurde. Anstelle des Lagers 24 gelangen jedoch ein Axiallager 24a und ein Radiallager 24b zum Einsatz. Grundsätzlich ist aber eine andere Lagerkonzeption denkbar.
Im Gegensatz zu der aktiven Kühlung durch ein Kühlmittel bei der jeweiligen Kühleinrichtung 28 der Klappeneinrichtungen 10a bis 10c ist bei der Klappeneinrichtung 10d eine passive Kühlung vorgesehen. Die Kühleinrichtung 28 der Klappeneinrichtung 10d umfasst einen Kühlkörper 38, der mit Kühlrippen 46 versehen ist, um eine bessere Abgabe der von dem Klappengehäuse 12 zu der Basis 42 des Köpers 30 hin strömenden Wärme an die Umgebung zu ermöglichen. Grundsätzlich ist es natürlich möglich, den Kühlkörper 38 mit einem oder mehreren Kühlmittelkanälen 32 zu versehen, um zusätzlich eine aktive Kühlung bereitstellen zu können, falls höhere Kühlleistungen erforderlich sind.
10 zeigt eine Ausführungsform 10e der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung, die eine Kombination einer aktiven Kühlung mit einer passiven Kühlung aufweist. Der Kühlkörper 38 der Klappeneinrichtung 10e umfasst eine auf den Fortsatz 40 des Lagerkörpers 30 aufgesteckte elektrische Kühleinrichtung 48, beispielsweise ein oder mehrere Peltier-Elemente. Auf die elektrische Kühleinrichtung 48 ist wiederum ein Kühlelement 50 gesteckt, das zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Umgebung mit Kühlrippen 46 versehen ist.
11 zeigt eine Ausführungsform 10f der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung. Die Lagereinrichtung 20 ist rein schematisch dargestellt. Die ihr zugeordnete Kühleinrichtung 28 umfasst ein Wärmerohr 52, das einen effizienten Wärmetransport von der Lagereinrichtung 20 weg ermöglicht. Je nach zu erwartender thermischer Belastung können auch mehrere Wärmerohre 52 vorgesehen sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, diese zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung anzuordnen. In den meisten Fällen erweist sich jedoch eine radiale Anordnung des bzw. der Wärmerohre 52 als vorteilhaft.
Eine Maßnahme, die zusätzlich zum Schutz der Lagereinrichtung 20 beiträgt, ist anhand der in 12 gezeigten Ausführungsform 10g erläutert. Die Lagereinrichtung 20 ist mit einer der Kühleinrichtungen 28 versehen, z.B. gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Auch Kombinationen einzelner Aspekte dieser Kühleinrichtungen 28 sind möglich. Zur Vereinfachung der Zeichnung wird in 12 aber auf diesbezügliche Details verzichtet. Die zusätzliche Maßnahme zum Schutz eines übermäßigen Wärmeeintrags im Bereich der Lagereinrichtung 20 besteht darin, das Klappengehäuse 12 zumindest in einem Bereich um die Lagereinrichtung 20 mit einem Luftspalt zu isolieren. Dieser kann im Bedarfsfall zumindest teilweise mit einem Isolierungsmaterial gefüllt sein.
Die Lagereinrichtung 20 ist an einer Außenwand 54 des Klappengehäuses 12 befestigt. Wie auch bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann es vorgesehen sein, dass der Lagerkörper 30 und/oder der Kühlkörper 38 direkt mit dem Gehäuse 12 (hier mit dessen Außenwand 54) verbunden sind. Abweichend davon ist es auch möglich, die Lagereinrichtung 20 in bekannter Weise in einem Lagerdom anzuordnen, der wiederum an dem Gehäuse 12 (hier an dessen Außenwand 54) gasdicht befestigt ist. Gleiches gilt im Übrigen auch für andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung, z.B. die hier beschriebenen Ausführungsformen 10a bis 10f und 10h.
Die Außenwand 54 ist an einem gasführenden Rohr 56 befestigt. Die Außenwand 54 weist im Bereich der Lagereinrichtung 20 eine sickenartige Ausbuchtung auf. Dadurch ergibt sich zwischen der Außenwand 54 und dem Rohr 56 ein Luftspalt 58, der isolierend wirkt. Die Wand 54 kann auch an der Innenseite des Rohrs 56 befestigt sein. Grundsätzlich kann das Klappengehäuse 12 insgesamt isoliert ausgeführt sein, falls dies erforderlich sein sollte.
13 zeigt eine Ausführungsform 10h der erfindungsgemäßen Klappeneinrichtung. Bei der der Lagereinrichtung 20 zugeordneten Kühleinrichtung 28 sind verschiedene Aspekte kombiniert, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 10a bis 10g umgesetzt wurden. Die Lagereinrichtung 20 umfasst ein Axiallager 24a, das als Ring auf dem dem Klappengehäuse 12 abgewandten Ende des Lagerkörpers 30 angeordnet ist. Um die Lagerwirkung zu verbessern, weist das Lager 24a einen relativ großen Durchmesser auf. Es ist aus einen kurzen zylinderförmigen Fortsatz 40' aufgesetzt, der sich von der Basis 42 des Lagerkörpers 30 erstreckt.
Die Klappenwelle 16 ist drehfest mit einer Kappe 60 verbunden, die sich auf dem Lager 24a abstützt. Die Schutzkappe 60 umgreift das Lager 24a in radialer und in axialer Richtung, so dass dieses geschützt ist.
Die Welle 16 erstreckt sich durch den Lagerkörper 30 und wird von dem Radiallager 24b gelagert, das an der dem Klappengehäuse 12 zugewandten Seite des Lagerkörpers 30 eingesetzt ist. Dieses Ende des Lagerkörpers 30 ist mit einem Bauteil 62 verbunden, das einerseits das in den Lagerkörper 30 eingesetzte Lager 24b in der dafür vorgesehenen Ausnehmung sichert. Andererseits dient das Bauteil 62 zur Befestigung der Lagereinrichtung 20 an der Außenwand 54 des zumindest im Bereich um die Lagereinrichtung 20 luftspaltisolierten Gehäuses 12. Das Gehäuse 12 umfasst zumindest in diesem Bereich eine Außenwand 54 und ein Innenrohr 56' ("Inliner").
Die Kühleinrichtung 28 der Lagereinrichtung 20 basiert auf einer Kühlmittelkühlung. Zu diesem Zweck weist der Lagerkörper 30 eine spiralförmig umlaufende Nut 44a auf, die zusammen mit einer entsprechend ausgestalteten Nut 44 in einer Innenwand des hülsenförmig ausgestalteten Kühlkörpers 38 einen spiralförmigen Kühlmittelkanal 32 bilden. Der hülsenförmige Kühlkörper 38 wird in 13 von unten auf den Lagerkörper 30 aufgeschoben bis er an der Basis 42 anschlägt und dann dort fixiert.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass verschiedene Aspekte einer aktiven und passiven Lagereinrichtungskühlung ohne weiteres kombiniert werden können, um Lagereinrichtungen einer Klappeneinrichtung bedarfsgerecht vor übermäßigem Wärmeeintrag zu schützen. Die Komponenten der aktiven und/oder passiven Kühlung können modular ausgebildet sein, um nach einem Baukastenprinzip einfach kombiniert werden zu können. Als zusätzliche, optionale Maßnahme bietet sich eine zumindest bereichsweise isolierte Ausgestaltung des Klappengehäuses an.
Bezugszeichenliste

10, 10a, 10d 10e, 10g, 10h: Klappeneinrichtung
12: Klappengehäuse
14: Klappe
16: Klappenwelle
18: Wellenachse
20, 22: Lagereinrichtung
24, 24a, 24b: Lager
26: Schulter
28: Kühleinrichtung
30: Lagerkörper
32, 32': Kühlmittelkanal
34: Kühlmittelflansch
36, 36': Bohrung
38: Kühlkörper
40, 40': Fortsatz
42: Basis
44, 44a: Nut
46: Kühlrippe
48: elektrische Kühleinrichtung
50: Kühlelement
52: Wärmerohr
54: Außenwand
56: Rohr
56': Innenrohr
58: Luftspalt
60: Schutzkappe
62: Bauteil

Claims

Klappeneinrichtung zur Steuerung eines Gasstroms durch eine Rohrleitung, insbesondere Abgasklappeneinrichtung für einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einer Klappe (14), die in einem, insbesondere rohrförmigen Klappengehäuse (12) verschwenkbar angeordnet ist, wobei zum Lagern einer zur Verschwenkung der Klappe (14) vorgesehenen Klappenwelle (16) zumindest eine Lagereinrichtung (20, 22) vorgesehen ist, die zumindest ein Lager (24, 24a, 24b) und eine eine Wärmesenke bereitstellende aktive und/oder passive Kühleinrichtung (28) umfasst, mittels derer die Lagereinrichtung (20, 22) kühlbar ist.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (20, 22) einen Lagerkörper (30) umfasst, der das Lager (24, 24a, 24b) zumindest teilweise aufnimmt.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerköper (30) zumindest Teile der Kühleinrichtung (28) umfasst, insbesondere wobei die Kühleinrichtung (28) zumindest teilweise in den Lagerkörper (30) integriert ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) und/oder der Lagerkörper (30) mehrstückig ausgestaltet sind.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) oder Teile davon an einem, insbesondere hülsenartigen Kühlkörper (38) ausgebildet sind, der mit dem Lagerkörper (30) wärmeleitend verbunden ist, insbesondere wobei der Kühlkörper (38) den Lagerkörper (30) zumindest abschnittsweise umgibt.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) zumindest ein wärmeleitendes Kühlelement (50) umfasst, insbesondere wobei das Kühlelement (50) zumindest eine Kühlrippe umfasst.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) zur Kühlung der Lagereinrichtung (20, 22) mittels einem Kühlmittel ausgebildet ist, das dem Lagerkörper (30) und/oder dem Kühlkörper (38) zuführbar ist.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28), insbesondere der Lagerkörper (30) und/oder der Kühlkörper (38), zumindest einen Kühlmittelkanal (32, 32') zur Förderung des Kühlmittels umfasst.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (38) eine den Lagerkörper (30) zumindest teilweise aufnehmende Öffnung (36'), insbesondere Bohrung aufweist, die eine in einer Wandung der Öffnung (36') vorgesehene Vertiefung oder Nut (44) aufweist, die durch zumindest einen Kühlmittelkanal (32) mit Kühlmittel versorgbar ist.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung oder Nut (44) und/oder der Kühlmittelkanal (32, 32') zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet sind.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) eine elektrische Kühleinrichtung (48), insbesondere zumindest ein Peltier-Element umfasst.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) ein Wärmerohr (52) umfasst, das sich zumindest abschnittsweise relativ zu Klappenwelle (16) oder Klappenachse (18) in radialer Richtung erstreckt oder das zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung des Lagerkörpers (30) oder des Kühlkörpers (38) angeordnet ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (28) zumindest abschnittsweise zwischen dem Lager (24, 24a) und dem Klappengehäuse (12) angeordnet ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper (30) und/oder der Kühlkörper (38) an dem Klappengehäuse (12) – insbesondere gasdicht – befestigt sind.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klappengehäuse (12) zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich der Lagereinrichtung (20, 22) isoliert ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (24, 24a, 24b) ein Axial- und/oder ein Radiallager ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (24, 24a, 24b) ein Gleitlager, insbesondere ein Graphitlager, ein Keramiklager oder ein Sinterlager ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper (30) an einer der Klappe (14) zugewandten Seite ein Radiallager (24b) und an einer der Klappe (14) abgewandten Seite ein Axiallager (24a) aufnimmt.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager (24b) ein Sinterlager ist und dass das Axiallager (24a) ein Graphit- oder Keramiklager ist.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappeneinrichtung (10a bis 10h) eine elektrisch betreibbare Aktuierungseinrichtung zur Aktuierung der Klappeneinrichtung umfasst.
Klappeneinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (16) durch eine Vorspanneinrichtung mit einer Kraft in Richtung zu dem Klappengehäuse (12) hin beaufschlagt ist.
Klappeneinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die sich die Klappenwelle (16) über eine Schulter (26) und/oder über ein mit der Klappenwelle (16) drehfest verbundenes Bauteil (60), insbesondere eine Kappe oder ein Flanschabschnitt, in axialer Richtung an dem Lager (24, 24a) abstützt.