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Die Erfindung geht aus von einem Ventil für einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Steuern von zwei Abgasströmen in zwei benachbarten Kanälen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
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Aus der
EP 0 808 999 A1 sowie der
EP 1 311 754 B1 sind seit langem nicht gattungsgemäße Ventile bekannt, welche ein Gehäuse mit zwei Kanälen zur Führung von Abgasen enthalten. In jedem der Kanäle sind ein Ventilsitz und ein Schließkörper angeordnet, mit welchem der jeweilige Kanal verschließbar ist. Die beiden Kanäle laufen parallel zueinander. Die beiden Schließkörper sind drehfest an einer drehbar gelagerten Welle befestigt und mit der Welle um die Drehachse der Welle schwenkbar. Die Schließkörper sind scheibenförmig mit ellipsenförmiger Außenkontur gestaltet und sind so an der Welle befestigt, dass die Erstreckungsebenen beider Schließkörper parallel zur Drehachse der Welle und gleichzeitig schräg bzw. senkrecht zueinander orientiert sind.
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Bei den bekannten Ventilen kann durch Schwenken der Schließkörper in eine erste Winkelposition der erste Kanal verschlossen und der zweite Kanal geöffnet werden. Durch Schwenken der Schließkörper in eine zweite Winkelposition kann der erste Kanal geöffnet und der zweite Kanal verschlossen werden. Hierdurch wird in einfacher Weise mit nur einem Antrieb, der mit der Welle gekoppelt ist, eine Verteilung des Abgasstromes auf unterschiedliche Strömungswege in den beiden Kanälen ermöglicht. Ein Androsseln, also eine Verringerung des freien Querschnitts beider Kanäle, um den Staudruck im Abgasstrang stromaufwärts des Ventils zu erhöhen und eine erhöhte Abgasrückführung zu erreichen, ist mit diesen alten Ventilen nicht möglich.
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Aus der
DE 10 2009 006 013 A1 und
WO 2011/136701 A1 sind Ventile mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10 bekannt. Die Ventile weisen zwei plattenförmige Schließkörper auf, welche um 90° zueinander verdreht an einer Welle befestigt sind. In beiden Kanälen ist jeweils ein konkav ausgebildeter Ventilsitz angeordnet, welcher die Umfangsfläche des ihm zugeordneten Schließkörpers zumindest teilweise umgibt und erlaubt, dass die Schließkörper den jeweiligen Kanal in mehreren Winkelpositionen verschließen. In einer ersten Winkelposition verschließt der erste Schließkörper den ersten Kanal, während der zweite Kanal geöffnet ist. In einer zweiten Winkelposition ist der erste Kanal geöffnet, während der zweite Schließkörper den zweiten Kanal verschließt. In einer dritten Winkelposition sind beide Kanäle verschlossen. Hierdurch lässt sich zusätzlich zu der Aufteilung des Abgasstromes zwischen den beiden Kanälen auch ein Androsseln bis hin zu einem vollständigen Absperren des Abgasstrangs erreichen, um im Extremfall den gesamten Abgasstrom zur Brennkraftmaschine zurückzuführen. Beim Verschwenken von der ersten in die zweite Winkelposition wird immer die dritte Winkelposition durchlaufen. Dies bedeutet, beim Umschalten der Strömung von dem ersten zu dem zweiten Kanal kommt es zu einem vorübergehenden vollständigen Verschließen beider Kanäle und einer vollständigen Blockade des Abgasstrangs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ventil und das Verfahren der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Ventil für einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor, enthält ein Gehäuse, welches zwei Kanäle zur Führung von Abgasen aufweist. In jedem der Kanäle ist ein Schließkörper angeordnet, mit welchem der jeweilige Kanal verschließbar ist. Die beiden Schließkörper sind drehfest an einer drehbar gelagerten Welle befestigt und mit der Welle um die Drehachse der Welle schwenkbar. In einer ersten Winkelposition der Welle verschließt der erste Schließkörper den ersten Kanal, während der zweite Kanal geöffnet ist. In einer zweiten Winkelposition der Welle ist der erste Kanal geöffnet, während der zweite Schließkörper den zweiten Kanal verschließt. In dem zweiten Kanal ist ein konkav ausgebildeter Ventilsitz angeordnet, welcher die Umfangsfläche des ihm zugeordneten zweiten Schließkörpers in der zweiten und dritten Winkelposition umgibt. Der zweite Ventilsitz ermöglicht eine Schwenkbewegung der Welle in eine dritte Winkelposition, in welcher der erste Schließkörper den ersten Kanal verschließt und der zweite Schließkörper den zweiten Kanal verschließt. Die beiden Schließkörper sind derart an der Welle befestigt, dass die Welle von der ersten Winkelposition über die zweite Winkelposition in die dritte Winkelposition verschwenkbar ist. Beim Verschwenken der Welle von der ersten in die zweite Winkelposition öffnet sich der erste Kanal während sich gleichzeitig der zweite Kanal schließt. Insbesondere bleibt der zweite Kanal beim Verschwenken der Welle von der zweiten in die dritte Winkelposition geschlossen. Der konkave Ventilsitz für den zweiten Schließkörper kann insbesondere durch einen den zweiten Schließkörper umgebenden Ring mit sphärischer Innenkontur gebildet werden. Das Ventil kann für jeden der Kanäle einen Einlass und einen Auslass aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können zwei Abgasströme in zwei benachbarten Kanälen durch zwei schwenkbare Schließkörper gesteuert werden, welche jeweils in einem der Kanäle angeordnet und insbesondere drehfest miteinander gekoppelt sind. Die beiden Schließkörper werden synchron in verschiedene Winkelpositionen verschwenkt, um dadurch die Kanäle zu öffnen und zu verschließen. Durch Schwenken der Schließkörper in eine erste Schwenkposition wird der erste Kanal verschlossen und der zweite Kanal geöffnet. Durch Schwenken der Schließkörper in eine zweite Schwenkposition wird der erste Kanal geöffnet und der zweite Kanal verschlossen, wobei sich beim Verschwenken der Schließkörper von der ersten in die zweite Winkelposition der erste Kanal öffnet während sich gleichzeitig der zweite Kanal schließt. Durch Schwenken der Schließkörper in eine dritte Winkelposition wird sowohl der erste Kanal als auch der zweite Kanal verschlossen. Beim Verschwenken der Schließkörper wird ausgehend von der ersten Winkelposition zunächst die zweite Winkelposition und durch Weiterschwenken dann die dritte Winkelposition erreicht. Insbesondere kann beim Verschwenken der Schließkörper von der zweiten in die dritte Winkelposition sich der erste Kanal schließen während gleichzeitig der zweite Kanal verschlossen bleibt. Das Verfahren kann insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Ventil ausgeführt werden.
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Stromaufwärts des erfindungsgemäßen Ventils wird der von der Brennkraftmaschine kommende Abgasstrang in einen ersten und einen zweiten Kanal aufgeteilt. Durch den ersten Kanal wird das heiße Abgas direkt zu dem Ventil geführt. In dem zweiten Kanal ist ein Abgaswärmetauscher oder auch Abgaskühler angeordnet, in welchem Wärme aus dem Abgas in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine überführt werden kann. Vom Abgaskühler gelangt das Abgas durch den zweiten Kanal zum zweiten Schließkörper des erfindungsgemäßen Ventils. Des Weiteren ist stromaufwärts des erfindungsgemäßen Ventils eine Abzweigung einer Abgasrückführung angeordnet, beispielsweise zwischen dem Abgaskühler und dem zweiten Schließkörper, mittels welcher Abgas über ein Abgasrückführventil zu der Brennkraftmaschine zurück und mit der dieser zugeführten Frischluft zusammengeführt werden kann. Die beiden Kanäle in dem Gehäuse des erfindungsgemäßen Ventils sind beide so dimensioniert, dass jeder von ihnen allein in der Lage ist, den gesamten, von der Brennkraftmaschine abzuführenden Abgasstrom abzuführen. Auch die beiden Schließkörper sind so dimensioniert und in den Kanälen angeordnet, dass jeder der Kanäle den maximal auftretenden Massenstrom bei geöffnetem Schließkörper bewältigen kann. Der freie Querschnitt bei maximalem Öffnungsgrad der Schließkörper ist somit in beiden Kanälen in der gleichen Größenordnung. Insbesondere in der zweiten Winkelposition der Welle, wenn der zweite Schließkörper den zweiten Kanal verschließt, ist es wichtig, dass der erste Schließkörper den Abgasstrom möglichst wenig behindert und der erste Kanal den maximalen Massenstrom bewältigen kann. Der zweite Schließkörper kann bevorzugt in der zweiten Winkelposition seinen maximalen Öffnungsgrad aufweisen. Dies ist insbesondere zur Erreichung eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine wichtig, in welchem kein Abgas zurückgeführt wird und der gesamte Abgasstrom am Abgaskühler vorbei durch den ersten Kanal geleitet werden soll. In der zweiten Winkelposition ist der zweite Kanal also so weit wie möglich geschlossen, so dass – abgesehen von Toleranzen und einem geringen Leckagestrom – keine nennenswerte Strömung über den zweiten Schließkörper erfolgt. Ein möglichst dichtes Schließen des zweiten Schließkörpers in der zweiten Winkelposition hat den Vorteil, dass in diesem Betriebszustand praktisch kein Abgas über den Abgaskühler strömt und keine unnötige Wärme in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebracht wird. Je nach konstruktiver Ausgestaltung des Ventils kann sich die zweite Winkelposition auch über einen gewissen Schwenkbereich erstrecken, über welchen sich der Öffnungsgrad der beiden Schließkörper nicht ändert.
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Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Die bekannte Funktionalität der wechselweisen Aufteilung eines Abgasstromes auf zwei Kanäle und das Umschalten von dem einen auf den anderen Kanal wird verbessert, und zwar insbesondere, wenn während des Umschaltvorgangs noch kein Abgas zurückgeführt werden soll.
- • Beim Verschwenken von der ersten in die zweite Winkelposition verschließt der zweite Schließkörper den zweiten Kanal bei Erreichen seiner zweiten Winkelposition. Beim Zurückschwenken von der zweiten in die erste Winkelposition verschließt der erste Schließkörper den ersten Kanal bei Erreichen seiner ersten Winkelposition. Beim Verschwenken der Schließkörper ausgehend von der ersten Winkelposition wird also zunächst die zweite Winkelposition erreicht und erst durch ein Weiterschwenken der Welle in dieselbe Drehrichtung wird die dritte Winkelposition erreicht. Beim Verschwenken der Welle findet somit ein gleichzeitiges Öffnen des einen und Verschließen des anderen Kanals statt. Dies bedeutet, dass in jeder Schwenkposition zwischen der ersten Winkelposition und der zweiten Winkelposition stets beide Kanäle teilweise offen sind. Zwischen der ersten und der zweiten Winkelposition wird – anders als bei den aus der DE 10 2009 006 013 A1 und WO 2011/136701 A1 bekannten Ventilen – die dritte Winkelposition, in welcher beide Kanäle verschlossen sind, nicht durchlaufen. Es gibt vielmehr eine Schwenkposition zwischen der ersten und der zweiten Winkelposition, in welcher der Öffnungsgrad des ersten Schließkörper und der Öffnungsgrad des zweiten Schließkörpers übereinstimmen, aber nicht 0 sind. Das Umschalten des Abgasstromes von dem einen auf den anderen Kanal lässt sich somit ohne vorübergehende Blockierung des Abgasstrangs erreichen. Es lässt sich sogar praktisch ohne ein Androsseln, also praktisch ohne Erhöhung des Staudrucks stromaufwärts des erfindungsgemäßen Ventils umschalten.
- • Durch die erfindungsgemäße Hintereinanderschaltung der ersten, zweiten und dritten Winkelposition in Kombination mit dem gleichzeitigen Öffnen des ersten und Schließen des zweiten Kanals lässt sich in einfacher Weise in einem einzigen Ventil eine Umschaltfunktion und eine Androsselfunktion kombinieren, welche derart unabhängig voneinander sind, dass das Umschalten praktisch ohne Androsseln erfolgt und die Summe der freien Querschnitte in den beiden Kanälen während des Umschaltens praktisch konstant bleibt. Eine nachteilige Beeinflussung der Brennkraftmaschine während des Umschaltvorgangs wie bei den bekannten Ventilen wird vermieden.
- • Außerdem ist unabhängig von dem Umschalten ohne Androsseln in einem anderen Schwenkbereich, nämlich durch ein Verschwenken der Welle zwischen der zweiten und der dritten Winkelposition, ein Androsseln möglich, bei welchem zur Erhöhung der zurückgeführten Menge des Abgases der Staudruck an der stromaufwärts des erfindungsgemäßen Ventils liegenden Abzweigung für die Abgasrückführung erhöht werden kann.
- • Das Ventil lässt sich in einfacher Weise und ohne großen Aufwand herstellen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung können die Schließkörper plattenförmig, insbesondere als kreisförmige oder elliptische Scheiben, ausgebildet sein. Die Schließkörper können Klappen sein, sodass es sich bei dem Ventil insbesondere um ein Klappenventil handeln kann. In weiterer Ausgestaltung kann der erste Schließkörper eine Erstreckungsebene aufweisen, welche parallel zur Drehachse der Welle orientiert ist. Der zweite Schließkörper kann eine Erstreckungsebene aufweisen, welche schräg zur Drehachse und damit auch schräg zur Erstreckungsebene des ersten Schließkörpers orientiert ist. Eine schräg zur Drehachse der Welle orientierte Erstreckungsebene ermöglicht eine Minimierung der Leckage am Durchgang der Welle durch das Gehäuse. In weiterer Ausgestaltung können die beiden Kanäle, zumindest in ihren die Ventilsitze enthaltenden Abschnitten, schräg zueinander verlaufen. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Ventils, insbesondere in Kombination mit einem Schließkörper, dessen Erstreckungsebene schräg zur Drehachse der Welle orientiert ist. Der erste Kanal kann quer zur Drehachse der Welle verlaufen, während der zweite Kanal schräg zur Drehachse der Welle verlaufen kann. Insbesondere kann der Winkel der Erstreckungsebene des zweiten Schließkörpers zur Drehachse mit dem Winkel des zweiten Kanals zu dem ersten Kanal übereinstimmen. Der Winkel zwischen den beiden schräg zueinander verlaufenden Abschnitten des ersten Kanals und des zweiten Kanals und/oder der Winkel zwischen der Erstreckungsebene des zweiten Schließkörpers und der Drehachse kann von 5° bis 40°, insbesondere von 8° bis 30°, betragen.
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Der Schwenkwinkel zwischen der ersten Winkelposition der Welle und der zweiten Winkelposition der Welle kann genauso groß sein wie der Schwenkwinkel zwischen der zweiten Winkelposition der Welle und der dritten Winkelposition der Welle, insbesondere kann der Schwenkwinkel zwischen der ersten und der zweiten Schwenkposition sowie zwischen der zweiten und dritten Schwenkposition jeweils 60° betragen. Hierdurch lässt sich ein ausreichend großer freier Querschnitt in den Kanälen im Bereich der Schließkörper gewährleisten, wenn sich diese in Offenstellung befinden. Gleichzeitig ist der Schwenkwinkel groß genug, um eine ausreichend präzise Einstellung des Öffnungsgrades zwischen den Maximalpositionen „vollständig geöffnet” und „vollständig geschlossen” zu ermöglichen.
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In weiterer Ausgestaltung weist der den zweiten Schließkörper umgebende Ring eine in Längsrichtung des zweiten Kanals verlaufenden Nut auf. Die Nut ermöglicht die Montage des Schließkörpers bei einteiliger Ausgestaltung der sphärischen Innenkontur des Rings.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können an der inneren Wandung des ersten Kanals im Bereich des ersten Schließkörpers zwei Vorsprünge angeordnet sein, welche in den Kanal hineinragen und sich in Umfangsrichtung des Kanals erstrecken. Jeder der Vorsprünge kann einen ersten Ventilsitz und einen zweiten Ventilsitz aufweisen. Beide Ventilsitze weisen in Längsrichtung des Kanals in entgegengesetzte Richtungen. Der erste Schließkörper weist zwei Dichtflächen auf, welche in der ersten Winkelposition an den ersten Ventilsitzen der beiden Vorsprünge anliegen und durch Schwenken des ersten Schließkörpers aus der ersten Winkelposition heraus – also in Richtung der zweiten Winkelposition – von den ersten Ventilsitzen abhebbar sind. Der erste Schließkörper weist zwei weitere Dichtflächen auf, welche in der dritten Winkelposition an den zweiten Ventilsitzen der beiden Vorsprünge anliegen und durch Schwenken des Schließkörpers aus der dritten Winkelposition heraus – also in Richtung der zweiten Winkelposition – von den zweiten Ventilsitzen abhebbar sind. Die Dichtflächen können auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schließkörpers, insbesondere eines plattenförmigen Schließkörpers, angeordnet sein. Die Umfangsfläche des Schließkörpers kann hierdurch sowohl in der zweiten als auch in der dritten Winkelposition, in welchen der erste Schließkörper jeweils den ersten Kanal verschließt, einen Abstand zur Innenwandung des Kanals aufweisen. Die Umfangsfläche des ersten Schließkörpers wird also nicht – wie Umfangsfläche des zweiten Schließkörpers – zur Abdichtung in Schließstellung benötigt. Vielmehr ermöglicht der Abstand zwischen der Umfangsfläche des ersten Schließkörpers und der Innenwandung des Kanals eine ungehinderte Wärmedehnung des ersten Schließkörpers, ohne dass die Dichtigkeit des in der ersten oder dritten Winkelposition befindlichen ersten Schließkörpers durch unterschiedlich starke thermische Ausdehnung von Schließkörper und Gehäuse beeinträchtigt wird. Insbesondere im Bereich des ersten Schließkörpers kann es zu unterschiedlich starker Erwärmung von Schließkörper und Gehäuse kommen, da der durch den ersten Kanal zum ersten Schließkörper strömende Abgasstrom nicht über einen Abgaskühler geführt wird und somit wesentlich heißer ist als der den zweiten Schließkörper erreichende Abgasstrom. Die vorgenannte Art der Abdichtung im Bereich des ersten Schließkörpers ermöglicht in Kombination mit dem an seiner Umfangsfläche abgedichteten zweiten Schließkörper dauerhaft einen praktisch störungsfreien Betrieb des erfindungsgemäßen Ventils.
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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:
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1 einen sehr schematisch dargestellten Abschnitt eines Abgasstranges eines Dieselmotors, in welchem ein erfindungsgemäßes Ventil eingesetzt werden kann,
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2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ventils,
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3 einen perspektivisch und vergrößert dargestellten Ausschnitt aus dem Ventil der 2 im Bereich eines zweiten Ventilsitzes,
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4 eine Seitenansicht auf das Ventil der 2,
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5A einen Schnitt durch das Ventil entlang der Schnittfläche A-A der 4, wobei sich die Welle in einer ersten Winkelposition befindet,
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5B eine entlang der Schnittfläche B-B der 4 geschnittene Ansicht des Ventils, wobei sich die Welle ebenfalls in der ersten Winkelposition befindet,
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6A und 6B Schnittdarstellungen entsprechend der 5A und 5B, wobei sich die Welle in einer zweiten Winkelposition befindet,
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7A und 7B Schnittdarstellungen entsprechend der 5A und 5B, wobei sich die Welle in einer dritten Winkelposition befindet,
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8 ein Diagramm, in welchem die Steuercharakteristik eines erfindungsgemäßen Ventils schematisch dargestellt ist.
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In 1 ist ein Teil eines Abgasstranges eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors, welcher nach dem Diesel-Prinzip arbeitet, dargestellt. Der von dem Dieselmotor kommende Abgasstrom wird in nicht näher dargestellter, aber an sich bekannter Weise einem Dieselpartikelfilter 1 zugeleitet. Nach dem Dieselpartikelfilter 1 wird der Abgasstrom auf einen ersten Kanal 2 und einen zweiten Kanal 3 aufgeteilt. Die benachbarten Kanäle 2, 3 haben etwa den gleichen freien Querschnitt. Der Kanal 3 führt zu einem Abgaskühler 4, welcher auch zur Wärmerückgewinnung von Wärme aus dem Abgas verwendet werden kann. Der Kanal 2 ist ein Bypasskanal, welcher am Abgaskühler 4 vorbeiführt. Die Kanäle 2, 3 führen zu einem Klappenventil 12, welches zwei an einer Welle 5 drehfest befestigte Schließkörper 6 und 7 enthält und nachfolgend noch näher erläutert werden wird. In jedem der beiden Kanäle 2, 3 befindet sich einer der Schließkörper 6, 7. Die Schließkörper 6, 7 sind Klappen, mit welchen der durch die Kanäle 2, 3 strömende Abgasstrom verändert werden kann. Nach den beiden Klappen 6, 7 wird der Abgasstrom wieder zusammengeführt und gelangt in eine Abgasanlage, von welcher er in an sich bekannter Weise abgeleitet wird. Zwischen dem Abgaskühler 4 und dem Ventil 12 enthält der Kanal 3 eine Abzweigung für eine Abgasrückführung, welche zu einem Abgasrückführventil 8 führt, über welches ein Abgasstrom zu dem Dieselmotor zurückgeführt werden kann.
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Das Ventil 12 ist in den 2 und 4 dargestellt und weist ein Gehäuse 9 auf, welches die beiden Kanäle 2, 3 zur Führung der Abgase enthält. Die Welle 5 ist im Gehäuse 9 drehbar gelagert. Am Gehäuse 9 ist über ein Verbindungselement 10 eine Antriebseinrichtung 11 angeordnet, welche mit der Welle 5 gekoppelt ist. Die Welle 5 kann von der Antriebseinrichtung 11 in verschiedene Winkelpositionen R verschwenkt werden. In 2 ist die Welle 5 mit dem ersten Schließkörper 6 in dem ersten Kanal 2 und dem zweiten Schließkörper 7 in dem zweiten Kanal 3 in einer Schwenkposition dargestellt, in welcher beide Schließkörper 6, 7 teilweise geöffnet sind. Die Funktionsweise von Ventilsitzen 13, 27, 28, die in der Schließstellung der beiden Schließkörper 6 und 7 mit diesen zusammenwirken, werden unten noch näher beschrieben werden. Wie insbesondere in 4 erkennbar ist, weist der Kanal 2 einen Einlass 21 und einen Auslass 22 auf. Der Kanal 3 weist einen Einlass 31 und einen Auslass 32 auf. An den Einlässen 21, 31 und den Auslässen 22, 32 kann jeweils ein Flansch angeordnet sein, wobei für die beiden Einlässe 21 und 31 sowie für die beiden Auslässe 22 und 32 jeweils ein gemeinsamer Flansch vorgesehen sein kann, siehe 2 und 4, um das Ventil 12 mit den angrenzenden Komponenten des Abgasstrangs zu verbinden. Ferner ist in 4 erkennbar, dass die beiden Kanäle 2 und 3 schräg zueinander verlaufen, wobei der Winkel zwischen ihnen 25° beträgt.
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Die Schließkörper 6 und 7 sind als kreisförmige Scheiben ausgebildet und drehfest an der Welle 5 befestigt. Die Erstreckungsebene des ersten Schließkörpers 6 ist parallel zur Drehachse der Welle 5 orientiert, die Ebene der Klappe 6 verläuft also parallel zur Welle 5. Demgegenüber weist der zweite Schließkörper 7 eine Erstreckungsebene auf, welche in einem Winkel von 25° schräg zur Drehachse der Welle 5 orientiert ist, wie insbesondere in den 2 und 3 erkennbar ist. Die Ebene der Klappe 7 verläuft also schräg zur Welle 5 und schräg zur Ebene der Klappe 6.
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Insbesondere in 3 ist erkennbar, dass der zweite Ventilsitz 13 konkav ausgebildet ist und den zweiten Schließkörper 7 in dessen Offenstellung teilweise und in dessen Schließstellungen vollständig umgibt. Der Ventilsitz 13 wird durch einen Ring 40 gebildet, der den Schließkörper 7 umgibt. Der Ring 40 ist auf seiner Innenseite 41 konkav und an die Außenkontur der Klappe 7 angepasst. Hierzu weist der Ring 40 eine sphärische Innenkontur 41 auf. Zur Montage der Klappe 7 weist der Ring 40 eine in Längsrichtung des zweiten Kanals 3 verlaufende Nut 42 auf. Ein etwaiger durch die Nut 42 strömender Leckagestrom ist so gering, dass er vernachlässigt werden kann. Zur Abdichtung kann der Schließkörper 7 an seiner der sphärischen Innenkontur 41 zugewandten Umfangsfläche einen Dichtring 15, der als Lamellenring ausgestaltet sein kann, aufweisen. Durch die Schrägstellung des Schließkörpers 7 kann trotz der Nut 42 die Abdichtung verbessert werden, da der Bereich der Klappenabdichtung nicht mit dem Bereich der Durchführung der Welle 5 durch das Gehäuse bzw. durch den Ring 40 zusammenfällt.
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Die Funktionsweise des Ventils 12 wird nun mithilfe der 5 bis 8 näher erläutert. In den 5A und 5B ist das Ventil 12 jeweils in einer Stellung dargestellt, in welcher sich die Welle 5 in einer ersten Winkelposition R1 befindet, welche mit dem Rotationswinkel R = 0° bezeichnet wird. Der Rotationswinkel R der Welle 5 in Grad ist auf der Abszisse des Diagramms der 8 aufgetragen. In 5A ist ersichtlich, dass an der inneren Wandung des ersten Kanals 2 im Bereich des Schließkörpers 6 zwei Vorsprünge 25, 26 angeordnet sind, welche in den Kanal 2 hineinragen und sich in Umfangsrichtung des Kanals 2 erstrecken. Jeder der Vorsprünge 25 und 26 hat einen ersten Ventilsitz 27 und einen zweiten Ventilsitz 28, siehe auch 6A, wobei beide Ventilsitze 27, 28 in Längsrichtung des Kanals 2 in entgegengesetzte Richtungen weisen. Der erste Schließkörper 6 weist zwei Dichtflächen 61, 62 auf, welche in der ersten Winkelposition R1 an den ersten Ventilsitzen 27 der beiden Vorsprünge 25, 26 anliegen, so dass sich in der Winkelposition R1 der erste Schließköper in Schließstellung befindet. Der Schließkörper 6 verschließt den Kanal 2 und trennt dadurch einen stromaufwärtigen Abschnitt 23 des Kanals 2 von einem stromabwärtigen Abschnitt 24 des Kanals 2. Gleichzeitig ist in 5B ersichtlich, dass in der ersten Winkelposition R1 der zweite Kanal 3 vollständig geöffnet ist. Der Öffnungsgrad der Schließkörper 6, 7 wird als Quotient der freien Fläche A des offenen Durchgangs in der jeweiligen Stellung und der maximalen freien Fläche Amax bei vollständig geöffnetem Schließkörper ausgedrückt und ist auf der Ordinate des Diagramms der 8 aufgetragen. Der Öffnungsgrad des Schließkörpers 6 ist in 8 durch die gepunktete Linie dargestellt. Der Öffnungsgrad des Schließkörpers 7 ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Bei R1 beträgt der Öffnungsgrad A/Amax der Klappe 6, siehe 5A, somit 0. Der Öffnungsgrad A/Amax der Klappe 7, siehe 5B, beträgt in der Winkelposition R1 somit 1. Die Winkelposition R1 mit vollständig geschlossenem Kanal 2 und vollständig geöffnetem Kanal 3 wird eingesetzt, um, insbesondere in einer Aufwärmphase des Dieselmotors, über den Abgaskühler 4 die maximale Wärmemenge aus dem Abgasstrom zurückzugewinnen.
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In der Darstellung der 5A und 5B kann die Welle 5 durch die Antriebseinrichtung 11 im Uhrzeigersinn verschwenkt werden. Beim Herausschwenken des ersten Schließkörpers 6 aus der ersten Winkelposition R1 heraus heben sich die beiden Dichtflächen 61 und 62 von den ersten Ventilsitzen 27 ab. Der Öffnungsgrad des Schließkörpers 6 vergrößert sich allmählich, siehe 8. Gleichzeitig verringert sich der Öffnungsgrad des Schließkörpers 7. Nach einem Schwenkwinkel von etwa 30° schneiden sich die beiden Kurven des Öffnungsgrades des Schließkörpers 6 und des Öffnungsgrades des Schließkörpers 7. In dieser Winkelposition sind beide Öffnungsgrade gleich groß. Die Welle 5 wird bis in eine zweite Winkelposition R2 weitergeschwenkt, welche bei einem Rotationswinkel R = 60° erreicht wird. In der zweiten Winkelposition R2 ist der erste Kanal 2 vollständig geöffnet, siehe 6A, während gleichzeitig der zweite Schließkörper 7 den zweiten Kanal 3 verschließt, siehe 6B. In der in 6B dargestellten Winkelposition R2 ist der Schließkörper 7 somit in Schließstellung. Die Umfangsfläche des Schließkörpers 7 wird vollständig von der sphärischen Innenkontur 41 des Ventilsitzes 13 umgeben und so der Kanal 3 verschlossen. Die zweite Winkelposition R2 entspricht dem Normalbetrieb des Dieselmotors, bei welchem der gesamte Abgasstrom über den Bypasskanal 2 in die Abgasanlage geführt wird. Wird eine geringe Menge des Abgases zur Abgasrückführung benötigt, kann in dieser Winkelposition der Welle 5 das Abgasrückführventil 8 geöffnet werden. Da der Schließkörper 6 vollständig geöffnet ist, steht am Abgasrückführventil 8 jedoch nur ein geringer Staudruck an, sodass die rückführbare Menge des Abgases begrenzt ist.
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In 8 ist ersichtlich, dass der Schließkörper 6 seinen maximalen Öffnungsgrad bereits kurz vor dem Rotationswinkel R = 60° erreicht und dann über einen gewissen Winkelbereich 65 konstant bleibt. Dieser Winkelbereich 65 resultiert daraus, dass der plattenförmige Schließkörper 6 eine Dicke aufweist, welche geringer ist als der Durchmesser der Welle 5. Der Schließkörper 6 lässt sich somit aus der zweiten Winkelposition R2, siehe 6A, um einen geringen Winkelbetrag in beide Drehrichtungen schwenken, ohne dass der auf beiden Seiten der Welle 5 vorhandene Durchgang im Kanal 2 durch den Schließkörper 6 verkleinert wird. In dem Winkelbereich 65 befindet sich der Schließkörper 6 somit praktisch im „Windschatten” der Welle 5. Je nach Verhältnis der Abmessungen des Schließkörpers 6 zu dem Durchmesser der Welle 5 kann die Größe des Winkelbereichs 65 etwa 10° bis 20° betragen. Der Winkelbereich 65 beeinträchtigt die Funktionalität des erfindungsgemäßen Ventils nicht, da die maximale freie Fläche Amax des offenen Durchgangs auf beiden Seiten der Welle 5 in der zweiten Winkelposition R2 so ausgelegt wird, dass der Kanal 2 den maximalen, von der Brennkraftmaschine kommenden Massenstrom des Abgases bewältigen kann.
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Aus der zweiten Winkelposition R2 wird die Welle 5 im Uhrzeigersinn weitergeschwenkt. Dabei schließt sich der Schließkörper 6 wieder und sein Öffnungsgrad, siehe 8, verringert sich. Der zweite Schließkörper 7 bleibt vollständig von der sphärischen Innenkontur 41 des Ventilsitzes 13 umgeben und bleibt somit geschlossen. Nach einem Rotationswinkel von insgesamt 120° wird eine dritte Winkelposition R3 erreicht, welche in den 7A und 7B dargestellt ist. Insbesondere aus einem Vergleich der 6B und 7B ergibt sich, dass der zweite Kanal beim Verschwenken der Welle 5 von der zweiten Winkelposition R2 in die dritte Winkelposition R3 geschlossen bleibt. Die sphärische Innenkontur 41 des konkaven Ventilsitzes 13 umgibt die Umfangsfläche der Klappe 7 während des Verschwenkens von R2 nach R3 stets vollständig. Der Schließkörper 6 weist zwei Dichtflächen 63 und 64 auf, welche jeweils gegenüberliegend zu den Dichtflächen 61 und 62 angeordnet sind. Die Dichtflächen 63, 64 legen sich beim Hineinschwenken in die Winkelposition R3 an die Ventilsitze 28 an. Durch Schwenken des Schließkörpers 6 im Gegenuhrzeigersinn aus der dritten Winkelposition R3 heraus sind die Dichtflächen 63, 64 wieder von den zweiten Ventilsitzen 28 abhebbar. Bei Erreichen der dritten Winkelposition verschließt der Schließkörper 6 den Kanal 2 und trennt den stromaufwärtigen Abschnitt 23 von dem stromabwärtigen Abschnitt 24.
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Die dritte Winkelposition R3 wird eingesetzt, um den gesamten Abgasstrom über das Abgasrückführventil 8 wieder zum Verbrennungsmotor zurückzuführen. Durch eine Einstellung einer Winkelposition zwischen R2 und R3 lässt sich durch die teilweise geschlossene Klappe 6 bei vollständig geschlossener Klappe 7 der am Abgasrückführventil 8 anstehende Staudruck des Abgases kontinuierlich erhöhen und an die benötigte Abgasrückführungsrate anpassen. Der Schwenkwinkel von R2 zu R3 sollte ausreichend groß bemessen sein, um ein präzises Androsseln zu ermöglichen. Da das zurückgeführte Abgas stets über den Abgaskühler 4 strömt, bevor es das Abgasrückführventil 8 erreicht, wird die Abgastemperatur des zurückgeführten Abgases durch den Abgaskühler 4 reduziert, auch wenn in diesem Betriebszustand des Dieselmotors an sich keine Wärmerückgewinnung aus dem Abgas erforderlich ist. Die Senkung der Temperatur des zurückgeführten Abgases hat jedoch den Vorteil, dass die Temperaturbelastung des Abgasrückführventils 8 reduziert ist und somit das Abgasrückführventil 8 einfacher und kostengünstiger ausgestaltet sein kann.
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Im Gegensatz zu dem Schließkörper 7 dichtet der Schließkörper 6 in seinen Schließstellungen in den Winkelpositionen R1 und R3 nicht mit seiner Umfangsfläche. Dadurch ist es in seinen Schließstellungen möglich, zwischen der Umfangsfläche des Schließkörpers 6 und der Innenwandung des Kanals 2 einen Abstand vorzusehen, siehe 5A und 7A. Der die Umfangsfläche des Schließkörpers 6 umgebende Abstand ermöglicht eine Wärmeausdehnung des Schließkörpers 6 unabhängig von dem durch das Gehäuse 9 gebildeten Kanal 2. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da der Schließkörper 6 wesentlich stärker temperaturbelastet ist, da das von der Brennkraftmaschine kommende heiße Abgas den Schließkörper 6 ungekühlt erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dieselpartikelfilter
- 2
- Kanal
- 3
- Kanal
- 4
- Abgaskühler
- 5
- Welle
- 6
- Schließkörper
- 7
- Schließkörper
- 8
- Abgasrückführventil
- 9
- Gehäuse
- 10
- Verbindungselement
- 11
- Antriebseinrichtung
- 12
- Ventil
- 13
- Ventilsitz
- 15
- Dichtring
- 21
- Einlass
- 22
- Auslass
- 23
- stromaufwärtiger Abschnitt
- 24
- stromabwärtiger Abschnitt
- 25
- Vorsprung
- 26
- Vorsprung
- 27
- Ventilsitz
- 28
- Ventilsitz
- 31
- Einlass
- 32
- Auslass
- 40
- Ring
- 41
- Innenkontur
- 42
- Nut
- 61
- Dichtfläche
- 62
- Dichtfläche
- 63
- Dichtfläche
- 64
- Dichtfläche
- 65
- Winkelbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0808999 A1 [0002]
- EP 1311754 B1 [0002]
- DE 102009006013 A1 [0004, 0010]
- WO 2011/136701 A1 [0004, 0010]
