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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein Einlass und zwei Auslässe oder ein Auslass und zwei Einlässe ausgebildet sind, wobei der eine Einlass mit den beiden Auslässen oder der Auslass mit den beiden Einlässen durch jeweils eine Durchgangsöffnung fluidisch verbindbar ist, mindestens zwei festen Ventilsitzen, die die Durchgangsöffnungen umschließen, zwei an einer Ventilstange befestigten festen Ventilschließgliedern, durch die die Durchgangsöffnungen durch eine translatorische Verschiebung der Ventilstange regelbar sind und mindestens einem flexiblen Element, das der ersten Durchgangsöffnung zugeordnet ist.
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Derartige Ventilvorrichtungen können beispielsweise zur Reduzierung umweltschädlicher Bestandteile im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden und sind allgemein bekannt. Die Schadstoffreduzierung erfolgt dabei durch die Rückführung des Abgases zum Ansaugtrakt, wobei das zurückgeführte Abgas hierdurch wiederverbrannt wird und durch Wechselwirkungen im Verbrennungsprozess die Menge der umweltschädlichen Bestandteile reduziert wird.
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Eine derartige Ventilvorrichtung ist aus verschiedenen Patentdokumenten bekannt. Die
DE 195 39 921 C1 offenbart beispielsweise eine druckausgeglichene Ventilvorrichtung mit einem Gehäuse, in dem zwei Einlässe sowie ein zwischen den beiden Einlässen positionierter Auslass ausgebildet sind. Die beiden Einlässe und der Auslass sind durch jeweils eine Durchgangsöffnung fluidisch miteinander verbunden, wobei die Regelung der Durchgangsöffnungen mittels jeweils eines an einer Ventilstange angeordneten Ventiltellers erfolgt. Hierbei ist ein erster Ventilteller fest und ein zweiter Ventilteller axial verschiebbar und federbelastet an der Ventilstange angeordnet. Im geschlossenen Zustand der Ventilvorrichtung liegt der fest an der Ventilstange angeordnete Ventilteller am Ventilsitz an, während der verschiebbare Ventilteller durch die Federkraft gegen den Ventilsitz gedrückt wird. So können thermisch bedingte Wärmedehnungen und Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, die die Funktion der Ventilvorrichtung negativ beeinflussen. Zum Ausgleichen von Wärmedehnungen und Fertigungstoleranzen offenbart die
DE 195 39 921 C1 eine weitere Ausführung einer Ventilvorrichtung, wobei einer der beiden Ventilsitze verschiebbar am Gehäuse angeordnet ist. Hierbei ist ein erster Ventilsitz fest am Gehäuse angeordnet und ein zweiter Ventilsitz axial verschiebbar und federbelastet am Gehäuse angeordnet.
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Nachteilig an der bekannten Ventilvorrichtung ist es, dass durch hohe Druckpulsationen der verschiebbare Ventilteller bzw. Ventilsitz von dem korrespondierenden Ventilsitz bzw. Ventilteller abhebt und die Durchgangsöffnung kurzzeitig öffnet. Dadurch kann ein sicheres Schließen der Durchgangsöffnungen nicht garantiert werden. Außerdem wird mit einer derartigen Ventilvorrichtung eine unabhängige Regelung einer der beiden Durchgangsöffnungen bei geschlossener zweiter Durchgangsöffnung nicht ermöglicht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilvorrichtung soweit weiterzuentwickeln, dass eine unabhängige Regelung einer der beiden Durchgangsöffnungen bei geschlossener zweiter Durchgangsöffnung möglich ist und die Durchgangsöffnungen unabhängig von auftretenden Druckpulsationen sicher verschließbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass in einer ersten Stellung der Ventilstange die Durchgangsöffnungen durch das Anliegen der festen Ventilschließglieder an den festen Ventilsitzen geschlossen sind, in einem ersten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange die Durchgangsöffnung durch das flexible Element geschlossen ist und die festen Ventilschließglieder von den festen Ventilsitzen abgehoben sind und in einem an den ersten Bewegungsabschnitt anschließenden zweiten Bewegungsabschnitt der Ventilstange die Durchgangsöffnungen regelbar sind, wird auf eine kostengünstige und bauraumsparende Weise ermöglicht, dass eine der beiden Durchgangsöffnungen unabhängig von der zweiten geschlossenen Durchgangsöffnung verschließbar bzw. regelbar ist. So kann der Abgasmassenstrom je nach Anforderung entweder durch beide Durchgangsöffnungen geleitet werden, durch ausschließlich die zweite Durchgangöffnung geleitet werden oder der gesamte Abgasmassenstrom komplett gestoppt werden. Außerdem erfolgt das Schließen beider Durchgangsöffnungen durch die festen Ventilschließglieder, sodass ein sicheres Schließen der Durchgangsöffnungen bei hohen Druckpulsationen garantiert werden kann.
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Vorzugsweise ist die erste Durchgangsöffnung durch einen dritten festen Ventilsitz begrenzt, wobei das flexible Element als Schließglied dient. Dadurch wird ein zuverlässiges Schließen der ersten Durchgangsöffnung im ersten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange ermöglicht.
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In einer weiterführenden Ausführungsform wird die erste Durchgangsöffnung durch einen dritten flexiblen Ventilsitz begrenzt, wobei das flexible Element den dritten flexiblen Ventilsitz bildet, am Gehäuse angeordnet ist und mit dem ersten festen Ventilschließglied korrespondiert. Die Anordnung des flexiblen Elements am Gehäuse führt zu einer geringeren thermischen Belastung des flexiblen Elements, so dass ein billigeres Material für das flexible Element eingesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise liegen die beiden festen Ventilschließglieder in der ersten Stellung der Ventilstange axial an den festen Ventilsitzen an.
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Dadurch ist ein zuverlässiges Verschließen beider Durchgangsöffnungen möglich.
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Vorzugsweise ist das flexible Element im ersten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange axial belastet. Somit treten keine reibungsbehafteten Gleitbewegungen zwischen dem flexiblen Element und dem festen Ventilsitz bzw. zwischen dem flexiblen Ventilsitz und dem festen Ventilschließglied auf, die zu Reibungsverlusten und Verschleiß führen würden. Zusätzlich wird mit einem axial belasteten flexiblen Element eine hohe Dichtwirkung erzielt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das flexible Element im ersten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange radial belastet. Dadurch ist die Verformung des flexiblen Elements über den gesamten ersten Bewegungsabschnitt der Ventilstange gering, sodass weniger Energie für die Verschiebung der Ventilstange benötigt wird und dadurch ein kleinerer Aktuator eingesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise sind das flexible Element, das erste feste Ventilschließglied und das zweite feste Ventilschließglied mit einem definierten axialen Abstand zueinander fest an der Ventilstange angeordnet. Die feste Anordnung des flexiblen Elements und der festen Ventilschließglieder an der Ventilstange erleichtert die Montage der Ventilvorrichtung, da das flexible Element mit den festen Ventilschließgliedern vormontiert werden kann, bevor es in das Gehäuse eingesetzt wird. Außerdem erfolgt die Positionierung der Ventilschließglieder und des flexiblen Elements zueinander bereits in der Vormontage, sodass die Einstellung der einzuhaltenden Toleranzen frühzeitig erfolgen kann.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung ist das flexible Element als ein Paket aus zumindest zwei axial aneinander anliegenden flexiblen Teilelementen ausgeführt, wobei die Teilelemente radial geschlitzt und versetzt zueinander angeordnet sind. Die geometrischen Abmessungen des aus mehreren Teilelementen ausgeführten flexiblen Elements entsprechen den geometrischen Abmessungen des einteiligen flexiblen Elements. Dadurch kann die für die Verformung des flexiblen Elements einzusetzende Energie reduziert werden, ohne die Leckage zu erhöhen.
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Alternativ weist die Ventilvorrichtung ein zweites flexibles Element und einen vierten Ventilsitz auf, wobei der vierte Ventilsitz und das zweite flexible Element der zweiten Durchgangsöffnung zugeordnet sind und wobei in einem dritten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange die zweite Durchgangsöffnung durch das zweite flexible Element geschlossen ist. Mit dieser Ausführung wird die Funktion der Ventilvorrichtung auf einfachste Weise erweitert, indem durch die Anordnung des zweiten flexiblen Elements auch das Regeln der ersten Durchgangsöffnung bei geschlossener zweiter Durchgangsöffnung ermöglicht wird.
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Vorteilhafterweise sind die beiden festen Ventilschließglieder zwischen dem ersten flexiblen Element und dem zweiten flexiblen Element angeordnet. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass alle Ventilstellungen lediglich durch die Verschiebung einer Ventilstange realisierbar sind, welche durch einen Aktuator betätigt wird.
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Die Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung sind in den anliegenden Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung einer Ventilvorrichtung in schematischer und geschnittener Darstellung.
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2a–c zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung einer Ventilvorrichtung mit alternativen Ausführungen und Anordnungen des flexiblen Elements. Die Ventilvorrichtung ist dabei schematisch und geschnitten dargestellt.
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3a–c zeigen die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung anhand von unterschiedlichen Stellungen der Ventilstange.
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4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Ventilvorrichtung in ebenfalls schematischer und geschnittener Darstellung.
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Die in 1 dargestellte Ventilvorrichtung umfasst ein Gehäuse 2, in dem zwei Auslässe 6, 8 und ein zwischen den beiden Auslässen 6, 8 angeordneter Einlass 4 ausgebildet sind. Zwischen dem Einlass 4 und den beiden Auslässen 6, 8 ist jeweils eine Durchgangsöffnung 10, 12 ausgebildet, durch die der Einlass 4 mit den beiden Auslässen 6, 8 fluidisch verbunden werden kann.
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Die erste Durchgangsöffnung 10 ist durch einen ersten Ventilsitz 18 begrenzt, der mit einem ersten festen Ventilschließglied 14 korrespondiert. In gleicher Weise ist die zweite Durchgangsöffnung 12 durch einen zweiten Ventilsitz 20 begrenzt, der mit einem zweiten festen Ventilschließglied 16 korrespondiert. Beide Durchgangsöffnungen 10, 12 sind durch die jeweiligen festen Ventilschließglieder 14, 16 regelbar bzw. verschließbar.
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Zusätzlich zum ersten festen Ventilschließglied 14 ist die erste Durchgangsöffnung 10 durch ein flexibles Element 22 verschließbar. Das flexible Element 22 ist zwischen dem ersten festen Ventilschließglied 14 und dem Auslass 6 angeordnet. Ein dazu korrespondierender dritter fester Ventilsitz 24 ist zwischen dem ersten Ventilsitz 18 und dem Auslass 6 angeordnet. Das flexible Element 22 und der dritte feste Ventilsitz 24 sind dabei derart angeordnet, dass der Abstand zwischen den beiden festen Ventilsitzen 18, 24 kleiner ist als der Abstand zwischen dem unverformten flexiblen Element 22 und dem ersten festen Ventilschließglied 14.
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Die festen Ventilsitze 18, 20, 24 sind als separate Bauteile ausgeführt und fest mit dem Gehäuse 2 verbunden. Die beiden Ventilschließglieder 14, 16 und das flexible Element 22 sind auf einer Ventilstange 26 mit einem definierten Abstand zueinander fest angeordnet, wobei die Verbindung üblicherweise über einen Form-, Kraft- oder Stoffschluss erfolgt. Die Ventilstange 26 ist im Gehäuse 2 axial verschiebbar gelagert und wird durch einen stirnseitig angrenzenden Aktuator 28 betätigt.
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Das flexible Element 22 ist ringscheibenförmig ausgebildet, wobei der Innendurchmesser des flexiblen Elements 22 kleiner ausgeführt ist als der Durchmesser der Ventilstange 26. Dadurch wird in Verbindung mit einer an der Ventilstange 26 ausgebildeten Nut 34 eine formschlüssige Verbindung zwischen der Ventilstange 26 und dem flexiblen Element 22 realisiert. Der Außendurchmesser des flexiblen Elements 22 ist größer als der Innendurchmesser des festen Ventilsitzes 24.
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Die in 2 dargestellte Ventilvorrichtung weist die gleichen Elemente auf wie die Ausführung aus 1. Entscheidender Unterschied zu der Ventilvorrichtung aus 1 ist die Ausführung und Anordnung des flexiblen Elements 22 und des Ventilsitzes 24.
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In 2a ist das flexible Element 22 in einen ersten Abschnitt 30 und in einen zweiten Abschnitt 32 unterteilt, wobei beide Abschnitte 30, 32 in die gleiche Richtung gerichtet sind. Der erste Abschnitt 30 ist fest am ersten festen Ventilschließglied 14 angeordnet. Der zweite Abschnitt 32 schließt sich direkt an den ersten Abschnitt 30 an und ist als eine bewegliche Dichtlippe ausgeführt. Der korrespondierende feste Ventilsitz 24 ist hohlzylinderförmig aufgeführt und weist eine radiale Dichtfläche auf, an der das flexible Element 22 während dem gesamten ersten Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26 anliegt bzw. gleitet.
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In den 2b und 2c entspricht das flexible Element 22 den Ausführungen aus den 1 und 2a. Der entscheidende Unterschied ist die feste Anordnung des flexiblen Elements 22 am Gehäuse 2. Dadurch dient das flexible Element 22, nicht wie in den Ausführungen in 1 und 2a als ein Ventilschließglied, sondern als ein flexibler Ventilsitz 24', der mit dem festen Ventilschließglied 14 korrespondiert. In der Ausführung in 2c ist zwischen dem flexiblen Element 22 und dem Gehäuse 2 ein zusätzlicher Zwischenring 38 angeordnet, der als Träger für den flexiblen Ventilsitz 24' dient.
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Mit den in 3 dargestellten Ausführungen soll anhand von drei unterschiedlichen Stellungen der Ventilstange 26 die Funktionsweise der Ventilvorrichtung deutlich gemacht werden.
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3a zeigt die erste Stellung der Ventilstange 26. Dabei sind beide Durchgangsöffnungen 10, 12 durch die jeweiligen an den festen Ventilsitzen 18, 20 anliegenden festen Ventilschließglieder 14, 16 geschlossen. Das flexible Element 22 liegt axial belastet und maximal verformt am entsprechenden festen Ventilsitz 24 an.
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3b zeigt den ersten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26, der sich direkt an die erste Stellung der Ventilstange 26 anschließt. Sobald die Ventilstange 26 durch den Aktuator 28 betätigt wird, lösen sich die beide festen Ventilschließglieder 14, 16 von den korrespondierenden festen Ventilsitzen 18, 20. Die zweite Durchgangsöffnung 12 ist in diesem Bewegungsabschnitt freigegeben und wird durch das axiale Verschieben der Ventilstange 26 und das zweite feste Ventilschließglied 16 geregelt. Die erste Durchgangsöffnung 10 bleibt weiterhin geschlossen, indem das flexible Element 22 vorgespannt am korrespondierenden dritten festen Ventilsitz 24 anliegt.
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Die 3c zeigt den zweiten definierten Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26. Der zweite definierte Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26 schließt sich direkt an den ersten Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26 an und ermöglicht den Durchfluss der Abgase durch beide Durchgangsöffnungen 10, 12. In diesem Bewegungsabschnitt liegen weder die festen Ventilschließglieder 14, 16 noch das flexible Element 22 an den korrespondierenden festen Ventilsitzen 14, 16, 24 an. Die Durchgangsöffnungen 10, 12 werden somit durch die festen Ventilschließglieder 14, 16 geregelt.
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Die in der 4 dargestellte Ventilvorrichtung weist wiederum im Wesentlichen die gleichen Elemente wie die Ausführung aus der 1 auf. Entscheidender Unterschied ist die Ausführung und Anordnung eines zweiten flexiblen Elements 36 und eines vierten Ventilsitzes 42. Das zweite flexible Element 36 ist zwischen dem zweiten festen Ventilschließglied 16 und dem Auslass 8 über eine Nut 40 fest an der Ventilstange 26 angeordnet und verschließt die zweite Durchgangsöffnung 12. Die zweite Durchgangsöffnung 12 ist durch den vierten Ventilsitz 42 begrenzt, wobei der vierte Ventilsitz 42 zwischen dem Ventilsitz 16 und dem Auslass 8 angeordnet ist. Andere Ausführungen und Anordnungen, wie sie in den Ausführungen in den 2a–2c gezeigt sind, sind ebenfalls möglich.
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In dieser Ausführung schließt sich an den zweiten Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26 ein dritter Bewegungsabschnitt der Ventilstange 26 an. Hierbei sind die festen Ventilschließglieder 14, 16 weiterhin von den korrespondierenden Ventilsitzen 18, 20 abgehoben. Das zweite flexible Element 36 verschließt die zweite Durchgangsöffnung 12, indem es am korrespondierenden vierten Ventilsitz 42 anliegt. Dadurch kann die erste Durchgangsöffnung 10 durch das erste feste Ventilschließglied 12 geregelt werden, während die zweite Durchgangsöffnung 12 durch das zweite flexible Element 36 geschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Ausführung der Ventilvorrichtung kann beispielsweise als ein Abgasrückführ- und Bypassventil eingesetzt werden, wobei das Abgasrückführ- und Bypassventil die Temperatur und den Massenstrom des zum Ansaugtrakt zurückgeführten Abgases regelt. Die Ventilvorrichtung wird vor einem Kühler angeordnet, wobei der Auslass 6 mit dem Kühler und der Auslass 8 mit einem Bypass verbunden sind. In Betriebszuständen, in denen die Kühlung des zurückgeführten Abgases unerwünscht ist, wird der gesamte Abgasmassenstrom durch die zweite Durchgangsöffnung 12 und den Auslass 8 geleitet, während die erste Durchgangsöffnung 10 durch das flexible Element 22 geschlossen ist. Dadurch wird das Abgas über den Bypass ungekühlt zum Ansaugtrakt geleitet, wobei der Abgasmassenstrom durch das zweite feste Ventilschließglied 16 geregelt wird. In anderen Betriebszuständen soll die Abgastemperatur an den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Dies erfolgt durch die Regelung der beiden Durchgangsöffnungen 10, 12, wobei hierdurch die Abgasmassenströme durch den Bypass und durch den Kühler geregelt werden. Vor dem Ansaugtrakt werden beide Abgasmassenströme zusammengeführt und dadurch die am Ansaugtrakt geforderte Abgastemperatur eingestellt. Für die maximale Kühlung ist die zweite Durchgangsöffnung 12 durch das zweite flexible Element 36 geschlossen, während die erste Durchgangsöffnung 10 durch das erste feste Ventilschließglied 14 geregelt wird. Somit wird der Abgasmassenstrom ausschließlich durch den Kühler geleitet und durch das erste feste Ventilschließglied 14 geregelt.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern weitere Ausführungen des flexiblen Elements denkbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19539921 C1 [0003, 0003]
