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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für AGR(Abgasrückführungs)-Kühler sowie ein Abgasrückführsystem mit einer derartigen Ventilanordnung.
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Stand der Technik
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Abgasrückführsysteme dienen der Reduzierung von Schadstoffausstoß und der Verbesserung der Effizienz von Verbrennungsmotoren. Hierbei kann beispielsweise bei aufgeladenen Dieselmotoren die Stickoxyderzeugung durch Rückführung des Abgases reduziert werden. In einem Abgasrückführsystem lenkt ein Abgasrückführventil einen Teil des Abgases aus dem Abgaskrümmer zurück zum Ansaugtrakt des Motors, wo es sich mit Frischluft vermischt. Nachteilig ist dabei, dass aufgrund der heißen rückgeführten Abgasluft die Ansaugluft des Motors insgesamt erwärmt wird, was zur Verringerung der Motorleistung führen kann. Aus diesem Grund wurden Motoren entwickelt, welche über einen oder mehrere AGR-Kühler verfügen, welche in Reihe geschaltet sind und mit Hilfe separater Bypassventile (jeweils einem Bypassventil pro Kühler) selektiv geschaltet werden können, um unterschiedliche Kühlleistungen für unterschiedliche Motorzustände bereitzustellen. Eine derartige Lösung mit zwei AGR-Kühlern ist beispielsweise in der
DE 10 2008 035 747 A1 (
US 2009/0101122 A1 ) beschrieben.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist die hohe Komplexität des Systems, da bei den zwei AGR-Kühlern zwei separate Bypassventile für die selektive Schaltung benötigt werden und dementsprechend zwei Kabelstränge zur Stromversorgung verlegt werden müssen. Die beiden separaten Ventilantriebe erfordern darüber hinaus zusätzlichen Bauraum.
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Aus der
US 2009/0013978 A1 ist darüber hinaus ein AGR-System mit zwei AGR-Kühlern und zwei Bypassventilen bekannt, bei dem die Bypassventile durch einen Aktuator auf dieselbe Weise gesteuert werden, also synchron öffnen und schließen. Hierbei ist aber keine selektive, individuelle Schaltung der einzelnen AGR-Kühler möglich.
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Die
US 2011/0108013 A1 offenbart ein AGR-System, das über zwei Ventilteller verfügt, die über ein Federelement verbunden sind. Die Ventilteller sind auf einem Schaft verschiebbar gelagert und verschließen einen ersten und einen zweiten Auslass.
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Zudem offenbart die
DE 102010043750 A1 eine Abgaskühlvorrichtung, bei der ein Ventilteller gegenüber einer Ventilstange in einem nicht orthogonalen Winkel angebracht ist.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilanordnung für AGR-Kühler bereitzustellen, welche die oben genannten Probleme löst und einen einfacheren und kompakteren, aber gleichzeitig den Raumerfordernissen flexibel anpassbaren Aufbau besitzt und dabei variable Kühlleistungen liefern kann. Es ist ebenso Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Abgasrückführsystem mit einer derartigen Ventilanordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Abgasrückführsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird eine Ventilanordnung für Abgasrückführkühler bereitgestellt, welche umfasst: Ein Ventilgehäuse mit einem ersten, zweiten und dritten Gasraum, die jeweils eine Öffnung zum Einführen und Ausführen von Abgas aufweisen, und eine Ventilstange mit einem ersten und zweiten Ventilteller, welche eine axiale Richtung definiert, wobei der erste Gasraum über eine durch den ersten Ventilteller verschließbare erste Ventilöffnung mit dem zweiten Gasraum verbunden ist und der zweite Gasraum über eine durch den zweiten Ventilteller verschließbare zweite Ventilöffnung mit dem dritten Gasraum verbunden ist, wobei ein Ventilteller durch ein elastisches Element auf der Ventilstange verschiebbar befestigt ist.
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Das Ventilgehäuse, in welchem die Öffnungen zum Einführen bzw. Ausführen von Abgas gebildet sind, umgibt den ersten, zweiten und dritten Gasraum. Die Gasräume sind untereinander mit Bypass-Öffnungen verbunden, welche von den Ventiltellern verschlossen werden können. Die Ventilstange, an der ein Ventilteller durch ein elastisches Element auf der Ventilstange verschiebbar angebracht und in Schließrichtung vorgespannt ist, durchdringt dabei alle drei Gasräume. Der andere Ventilteller ist dabei im vorliegenden, die Erfindung aber nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel, fest, also unverschieblich, an der Ventilstange angebracht. Ebenso wäre es aber denkbar, beide Ventilteller durch jeweilige elastische Elemente an der Ventilstange verschiebbar zu befestigen, wobei die jeweiligen elastischen Elemente unterschiedliche Vorspannungen bewirken, so dass bei Bewegung der Ventilstange der Moment des Abhebens von der zugeordneten Ventilöffnung für jeden Ventilteller unterschiedlich ist.
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Aufgrund der Ausgestaltung der Ventilanordnung mit drei miteinander verbundenen Gasräumen, die über die beiden an einer einzigen Ventilstange angebrachten Ventilteller selektiv geöffnet bzw. geschlossen werden können, wird mit Hilfe eines äußerst einfachen Aufbaus eine Bypass-Ventilanordnung für die AGR-Kühler bereitgestellt. Da einer der beiden Ventilteller durch ein elastisches Element auf der Ventilstange verschiebbar befestigt ist und in Schließrichtung vorgespannt ist, kann der andere Ventilteller durch vorbestimmte Öffnungsgrade hindurch von der entsprechenden Ventilöffnung angehoben werden, während der vorgespannte Ventilteller seine zugehörige Ventilöffnung verschlossen hält. Erst ab einer weitergehenden Bewegung der Ventilstange in Öffnungsrichtung wird eine Position erreicht, bei der auch der vorgespannte Ventilteller von seiner Ventilöffnung abhebt und nun beide Ventilöffnungen für einen Bypass beider AGR-Kühler offen sind.
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Erfindungsgemäß weist der erste Gasraum eine Abgaseinlassöffnung für rückgeführtes Abgas sowie eine erste Kühlereinlassöffnung zum Einführen des Abgases in einen ersten AGR-Kühler auf, der zweite Gasraum weist eine erste Kühlerauslassöffnung aus dem ersten AGR-Kühler sowie eine zweite Kühlereinlassöffnung zum Einführen des Abgases in einen zweiten AGR-Kühler auf, und der dritte Gasraum weist eine zweite Kühlerauslassöffnung aus dem zweiten AGR-Kühler sowie eine Abgasauslassöffnung für das zum Motor rückgeführte Abgas auf.
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Die Vorteile dieser Ausführungsform sind mehrgestaltig. Zum einen wird lediglich ein Ventilantrieb benötigt, um zwei Bypassventilteller selektiv zu betätigen. Gleichzeitig wird deutlich an Bauraum gespart, da nur ein integriertes Ventil für die AGR-Kühler zum Einsatz kommt. Das neue System ist somit günstiger und aufgrund seiner geringeren Komplexität langlebiger bzw. wartungsfreundlicher als die im Stand der Technik verwendeten Bypassventile.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Kühlereinlassöffnungen und Kühlerauslassöffnungen zu den bzw. aus den ersten und zweiten AGR-Kühlern auf einer Seite des Ventilgehäuses angeordnet. Diese Anordnung auf derselben Seite des Ventilgehäuses ist besonders vorteilhaft, wenn die AGR-Kühler nebeneinander im Motorraum angeordnet werden müssen, da es deren Bauraum nur unwesentlich verlängert. Gleichzeitig bleibt der Platzbedarf in axialer Richtung minimal, da er nur von den Abmessungen der AGR-Kühler, aber nicht jene der Ventilanordnung bestimmt wird.
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In der vorliegenden Erfindung ist unter der Anordnung von Öffnungen „auf einer Seite“ bzw. „derselben Seite“ des Ventilgehäuses zu verstehen, dass die durch die Öffnungen definierten Normalrichtungen, in einer zur axialen Richtung senkrechten Ebene, im Wesentlichen zusammenfallen bzw. um nicht mehr als 45° voneinander abweichen. Die Normalrichtungen von auf „gegenüberliegenden Seiten“ angeordneten Öffnungen unterscheiden sich in der genannten Ebene somit um zumindest 90°, sind aber bevorzugt um im Wesentlichen 180° zueinander angeordnet.
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Dabei ist es zusätzlich bevorzugt, dass die Abgaseinlassöffnung und die Abgasauslassöffnung auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses angeordnet sind. Mit anderen Worten befinden sich die Kühlereinlassöffnungen und Kühlerauslassöffnungen, wie für die nebeneinander liegenden AGR-Kühler vorteilhaft, auf einer Seite, während die Abgaseinlassöffnung und die Abgasauslassöffnung auf der gegenüberliegenden Seite eine krümmungsfreie Strömungsführung bei geschlossenem Bypassventil ermöglichen, welche zu geringeren Turbulenzen und damit zu geringerem Fouling (Belagbildung im Kühler aufgrund von Überkühlen und Kondensation) führt, welche insbesondere bei hohen Kühlleistungen von Bedeutung sind.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die erste Kühlereinlassöffnung und die erste Kühlerauslassöffnung auf einer Seite des Ventilgehäuses angeordnet und die zweite Kühlereinlassöffnung und die zweite Kühlerauslassöffnung auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses angeordnet. Dadurch wird ermöglicht, dass die beiden AGR-Kühler auf gegenüberliegenden Seiten der Ventilanordnung angeschlossen werden können, sofern dies der Bauraum im Motorraum erfordert. Diese Auslegung erfordert wenig Bauraum in der axialen Richtung, die durch die Ventilstange vorgegeben wird, und eignet sich somit insbesondere für Reihenmotoren.
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Dabei kann die Abgaseinlassöffnung auf einer in axialer Richtung gewandten Seite des Ventilgehäuses und die Abgasauslassöffnung auf einer hierzu gegenüberliegenden Seite angeordnet werden, wobei diese Anordnung von Abgaseinlassöffnung und Abgasauslassöffnung auch auf die eingangs beschriebene erste Ausführungsform mit nebeneinander liegenden AGR-Kühlern Anwendung finden kann.
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Im Falle der alternativen Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, die Ventilteller unter einem nicht orthogonalen Winkel, bevorzugt unter 45° zur axialen Richtung auf der Ventilstange anzubringen. Die schräge Anordnung der Ventilteller erlaubt in Bezug auf die axiale Richtung eine schräge Anordnung der Ventilöffnungen zwischen den Gasräumen, was es wiederum ermöglicht, die erste Kühlereinlassöffnung und die zweite Kühlereinlassöffnung einerseits sowie die erste Kühlerauslassöffnung und die zweite Kühlerauslassöffnung andererseits im Wesentlichen auf derselben axialen Position entlang des Ventilgehäuses anzuordnen, was in axialer Richtung eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung der oben beschriebenen Erfindung sind an der Ventilstange ein erster Anschlag, der die Verschiebung des mit dem elastischen Element versehenen Ventiltellers auf der Ventilstange begrenzt, und ein zweiter Anschlag, an dem das elastische Element befestigt ist, angeordnet. Diese Anschläge ermöglichen es, eine der Vorspannung des elastischen Elements entsprechende minimale und maximale Verschiebung des mit dem elastischen Element versehenen Ventiltellers vorzusehen, zwischen welchen der Ventilteller die zugeordnete Ventilöffnung sicher verschließt. Erst bei Erreichen der maximalen Stellung, bei der der Ventilteller am ersten Anschlag anliegt, wird bei weiterer Bewegung der Ventilstange die zugeordnete Ventilöffnung geöffnet.
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Das elastische Element kann dabei bevorzugt eine Feder sein, beispielsweise eine Schraubenfeder.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasrückführsystem bereitgestellt, welches umfasst: Einen ersten AGR-Kühler, einen zweiten AGR-Kühler, sowie eine Ventilanordnung nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, wobei der erste AGR-Kühler eingangsseitig an den ersten Gasraum und ausgangsseitig an den zweiten Gasraum der Ventilanordnung angeschlossen ist und der zweite AGR-Kühler eingangsseitig an den zweiten Gasraum und ausgangsseitig an den dritten Gasraum der Ventilanordnung angeschlossen ist. Wie zuvor bereits erwähnt wurde, kann dadurch ein integriertes Abgasrückführsystem bereitgestellt werden, das die Funktionen von bisher zwei Bypassventilen mit separaten Antrieben durch ein einziges System mit zwei Ventiltellern und einem einzigen gemeinsamen Antrieb ersetzt, das aber gleichzeitig eine selektive Schaltung von zwei, einem oder keinem AGR-Kühler auf einfache und günstige Weise ermöglicht.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei in
- 1a der zweite Ventilteller durch das elastische Element vorgespannt ist und in
- 1b der erste Ventilteller durch das elastische Element vorgespannt ist;
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit schräg angebrachten Ventiltellern, wobei in
- 2a der zweite Ventilteller mit dem elastischen Element vorgespannt ist und in
- 2b der erste Ventilteller mit dem elastischen Element vorgespannt ist;
- 3 zeigt verschiedene Schließ- und Öffnungszustände der beiden Ventilöffnungen zwischen den Gasräumen und damit die selektive Schaltung der beiden AGR-Kühler.
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In 1a ist eine erste Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese zeigt schematisch eine Ventilanordnung mit einem Ventilgehäuse 16, welches einen ersten Gasraum 13, einen zweiten Gasraum 14 und einen dritten Gasraum 15 umschließt. Eine Ventilstange 9 mit einem ersten Ventilteller 9 und einem zweiten Ventilteller 10 ist im Ventilgehäuse angeordnet und definiert eine axiale Richtung. Am von den Ventiltellern entfernten Ende der Ventilstange ist diese mit einem hier nicht dargestellten Antrieb versehen, welcher die Ventilstange in axialer Richtung bewegt. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gasraum ist eine Ventilöffnung 20 in Form eines Ventilsitzes vorgesehen, die vom ersten Ventilteller 10 verschlossen werden kann.
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Zwischen dem zweiten und dem dritten Gasraum ist entsprechend eine zweite Ventilöffnung 19 in Form eines Ventilsitzes vorgesehen, die vom zweiten Ventil 9 verschlossen werden kann. Vorliegend verbinden die Ventilöffnungen 19, 20 die Gasräume in axialer Richtung.
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Auf einer Seite des Gehäuses 16, in der 1a links, ist eine Kühlereinlassöffnung 3 in einen hier nicht dargestellten ersten AGR-Kühler vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses ist eine Abgaseinlassöffnung 1 in den ersten Gasraum vorgesehen. Auf derselben Seite des Ventilgehäuses wie die erste Kühlereinlassöffnung ist eine erste Kühlerauslassöffnung 4 in den ersten AGR-Kühler sowie eine zweite Kühlereinlassöffnung 5 in einen zweiten, hier ebenfalls nicht dargestellten AGR-Kühler vorgesehen. Im dritten Gasraum schließlich ist auf derselben Seite wie die Ein- und Auslassöffnungen 3, 4, 5 eine zweitee Kühlerauslassöffnung aus dem zweiten AGR-Kühler vorgesehen. Auf der hierzu gegenüberliegenden Seite ist hingegen die Abgasauslassöffnung 2 angeordnet, aus der das behandelte (und ggf. gekühlte) Abgas zum Ansaugtrakt des Motors, beispielsweise einem Turbolader, geführt wird.
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In 1b ist die zweite Variante dieser Ausführungsform dargestellt, die sich von der ersten Variante der 1a lediglich dadurch unterscheidet, dass die Feder 7 als elastisches Element am ersten Ventilteller 10 angeordnet ist und diesen verschiebbar vorspannt.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in 2a dargestellt. Hierbei ist der Bauraum in axialer Richtung im Vergleich zur ersten Ausführungsform deutlich verkürzt, was u.a. dadurch erreicht wird, dass die erste Kühlereinlassöffnung 3 und die erste Kühlerauslassöffnung 4 auf einer (derselben) Seite des Ventilgehäuses 16 angeordnet sind, während die zweite Kühlereinlassöffnung 5 und die zweite Kühlerauslassöffnung 6 auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses 16 angeordnet sind.
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Gleichzeitig sind die Abgaseinlassöffnung 1 auf der in axialer Richtung gewandten Seite des ersten Gasraums 13 des Ventilgehäuses 16 angeordnet (in 2a, 2b unten), und die Abgasauslassöffnung 2 auf der hierzu gegenüberliegenden, axial gewandten Seite des dritten Gasraums 15 des Ventilgehäuses 16 angeordnet (in 2a, 2b oben). Dadurch sind die drei Gasräume nicht mehr wie in der ersten Ausführungsform im Wesentlichen quer zur axialen Richtung der Ventilstange 8 angeordnet, sondern sind nun hierzu schräg angeordnet. Dabei ist von Vorteil, dass auch die erste Ventilöffnung 20 zwischen dem ersten und dem zweiten Gasraum 13, 14 und die zweite Ventilöffnung 19 zwischen dem zweiten und dem dritten Gasraum 14, 15 schräg angeordnet sind, so dass die Ventilteller unter dem hierzu entsprechenden nicht orthogonalen Winkel zur axialen Richtung auf der Ventilstange angebracht sind. Dieser Winkel beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 45° zur axialen Richtung.
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In beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 2 ist die Feder an einem Ende an einem Anschlag 12 ortsfest an der Ventilstange 8 festgelegt. Am anderen Ende der Feder 7 ist der Ventilteller 9 bzw. 10 befestigt, und wird in seiner Auslenkung auf der Ventilstange 8 von einem zweiten Anschlag 11 begrenzt, welcher die maximale Stellung in Ventilschließrichtung festlegt.
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In 3a ist der erste Ventilteller 10 und der zweite Ventilteller 9 geschlossen. Das gesamte Abgas von der Gaseinlassöffnung 1 in den ersten Gasraum 13 fließt zur ersten Kühlereinlassöffnung 3 in den ersten AGR-Kühler und aus diesem durch die erste Kühlerauslassöffnung 4 in den zweiten Gasraum 14. Danach fließt es weiter durch die zweite Kühlereinlassöffnung 5 und schließlich aus dem zweiten AGR-Kühler durch die zweiten Kühlerauslassöffnung 6 in den dritten Gasraum 15 und schließlich aus der Ventilanordnung hinaus durch die Gasauslassöffnung 2, von wo das Abgas zum Ansaugtrakt des Motors geführt wird.
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In 3b wird die Ventilstange 8 durch den hier nicht gezeigten Aktuator angehoben, wobei der erste Ventilteller 10 vom Ventilsitz 20 abhebt und somit einen variablen Bypass des ersten AGR-Kühlers bereitstellt. Der zweite Ventilteller 9 wird aufgrund der Vorspannung der Ventilfeder 7 noch auf seinem Ventilsitz 19 geschlossen gehalten. Der Grad der Öffnung des ersten Ventiltellers hängt von dem Bedarf des Ventilmanagements und des Motors ab. Gas strömt von der Abgaseinlassöffnung in den ersten Gasraum 13 und dann teilweise durch den geöffneten ersten Ventilteller 10 in den zweiten Gasraum 14 und teilweise durch die erste Kühlereinlassöffnung 3 und die erste Kühlerauslassöffnung 4 in den zweiten Gasraum 14, wo sich die Abgasströme wieder vereinen. Der gesamte Abgasstrom strömt dann vollständig durch die zweite Kühlereinlassöffnung 5, also durch den zweiten AGR-Kühler, und aus der zweiten Kühlerauslassöffnung 6 in den dritten Gasraum 15 und schließlich zur Gasauslassöffnung 2.
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In 3c ist der Zustand dargestellt, bei dem der erste Ventilteller 10 vollständig von seinem Ventilsitz 20 abgehoben ist und somit den ersten AGR-Kühler vollständig umgeht. Der zweite Ventilteller 9 ist aufgrund der Federvorspannung weiterhin geschlossen, so dass der zweite AGR-Kühler zu 100% durchströmt wird.
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In 3d wird die Ventilstange 8 weiter angehoben, so dass der erste Ventilteller 10 weiterhin zu 100% die Ventilöffnung 20 offen hält und somit das Abgas den ersten AGR-Kühler vollständig umgeht, während nun auch der zweite Ventilteller 9 von seinem Ventilsitz 19 abhebt, da er auf der Ventilstange 8 den zweiten Anschlag 11 erreicht hat. Dieser bewirkt nun die Bewegung des zweiten Ventiltellers 9 zusammen mit der Ventilstange 8. Somit wird in diesem Stadium der erste AGR-Kühler vollständig umgangen, während der zweite AGR-Kühler entsprechend dem Öffnungsgrad des zweiten Ventils 9 teilweise umgangen wird.
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In 3e schließlich wird die Ventilstange 8 in ihre maximale Auslenkung nach oben verschoben, so dass nun beide Ventilteller 10 und 9 vollständig von ihren jeweiligen Ventilsitzen 20, 19 abheben und somit beide AGR-Kühler vollständig umgangen werden.
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Der mit dem elastischen Element 7 (Feder) versehene Ventilteller 9 hat für seine Verschiebbarkeit selbstverständlich ein Loch für die Ventilstange 8, durch welches sich die Ventilstange 8 bewegen kann. Die Feder ist geeignet in ihrer Vorspannung ausgewählt, um insbesondere die in 3d und 3e gezeigten Zustände bereit zu stellen. Ebenso sind die Anschläge 11 und 12 entsprechend angeordnet.
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Die Anschläge stellen somit sicher, dass die Feder 7 für jeden der Zustände der 3a bis 3e die entsprechende Kraft bereitstellt, während in den Zuständen der 3d und 3e sich der Ventilteller 9 nicht weiter auf der Ventilstange bewegen kann, sondern mit ihr mitbewegt wird. Die obige Beschreibung gilt entsprechend für die in den 1b und 2b dargestellten Varianten, wobei der Fachmann die Funktionalitäten entsprechend anpasst.
