DE102017114506B4

DE102017114506B4 - Klappenvorrichtung

Info

Publication number: DE102017114506B4
Application number: DE102017114506.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grauten; Hans Gerards; Jürgen Michels
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: DE102017114506A1

Abstract

Klappenvorrichtung miteinem Strömungsgehäuse (20), in dem ein Strömungskanal (22) ausgebildet ist, wobei in dem Strömungskanal (22) ein Klappenelement (24) angeordnet ist, welches einen Abgasmassenstrom regelt, undeinem Aktorgehäuse (30), in dem ein Aktor (32) zur Betätigung des Klappenelementes (24) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dassein Luftleitelement (60) vorgesehen ist, welches zwischen dem Aktorgehäuse (30) und dem Strömungsgehäuse (20) angeordnet ist und einen Luftkanal (64) ausbildet, wobei eine Ausströmöffnung (74) des Luftkanals (64) in Schwerkraftrichtung oberhalb einer Einströmöffnung (72) des Luftkanals (64) angeordnet ist, wobei das Luftleitelement (60) orthogonal zu der Hauptströmungsrichtung des in dem Strömungskanals (22) strömenden Abgasmassenstroms angeordnet ist und der Aktor (32) einen Elektromotor (34) aufweist, welcher in Schwerkraftrichtung unterhalb des Strömungsgehäuses (20) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung mit einem Strömungsgehäuse, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist, wobei in dem Strömungskanal ein Klappenelement angeordnet ist, welches einen Abgasmassenstrom regelt, und einem Aktorgehäuse, in dem ein Aktor zur Betätigung des Klappenelementes angeordnet ist.
Derartige Klappenvorrichtungen werden beispielsweise als Abgasstauklappen oder als Abgasrückführventile in Niederdruck- oder Hochdruckabgaskreisläufen eingesetzt und dienen zur Regelung einer zu den Zylindern eines Verbrennungsmotors zurückzuführenden Abgasmenge oder zur Regelung des Drucks im Abgasrückführkanal zur möglichen Erhöhung der zurückzuführenden Abgasmenge, was jeweils eine Verringerung der Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors zur Folge hat. Auch ist es bekannt, derartige Ventile als Waste-Gate-Ventile an der Turbine eines Turboladers zu verwenden.
Die Klappenvorrichtung weist üblicherweise ein Strömungsgehäuse auf, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist. In dem Strömungskanal ist ein Klappenelement angeordnet, welches üblicherweise an einer Klappenwelle befestigt ist und über die Klappenwelle drehbar in dem Strömungsgehäuse gelagert ist. Die Klappenwelle ist mit einem elektromotorischen Aktor in Eingriff.
Je nach Einbauort ist die Klappenvorrichtung stark thermisch belastet. Insbesondere die Klappenvorrichtungen, welche im Heißgasbereich angeordnet sind, sind so stark thermisch belastet, dass der Aktor sowie andere Komponenten der Klappenvorrichtung vor einer thermischen Überbelastung geschützt werden müssen.
Dies erfolgt üblicherweise durch eine aktive Kühlung mittels Kühlwasser, wobei das Kühlwasser durch einen im Aktorgehäuse ausgebildeten Kühlwasserkanal strömt und die Wärme vom Aktorgehäuse aktiv abführt. Die Kühlung des Aktorgehäuses ist sowohl im Betrieb des Verbrennungsmotors als auch als Nachlaufkühlung unmittelbar nach dem Betrieb des Verbrennungsmotors erforderlich, wobei die Komponenten der Abgasklappenvorrichtung auch nach dem Betrieb des Verbrennungsmotors weiterhin derartig hohe Temperaturen aufweisen können, dass der Aktor und andere Komponenten der Klappenvorrichtung aufgrund einer thermischen Überbelastung beschädigt werden können. Zusätzlich oder alternativ zur aktiven Kühlung des Aktorgehäuses kann auch das Strömungsgehäuse aktiv durch Kühlwasser gekühlt werden, wodurch die Gefahr einer thermischen Überlastung der in dem Strömungsgehäuse angeordneten Komponenten sowie der in dem Aktorgehäuse angeordneten Komponenten reduziert wird, da ein Wärmeübergang in das Aktorgehäuse deutlich reduziert wird. Eine derartige aktive Kühlung mittels Kühlwasser offenbart beispielsweise die DE 10 2012 103 374 B4 .
Nachteilig an einer derartigen aktiven Kühlung des Aktorgehäuses und/oder des Strömungsgehäuses ist, dass die Kühlung mittels Kühlwasser aufwendig und kostenintensiv ist, wobei sowohl der Konstruktions- und Herstellungsaufwand der Klappenvorrichtung als auch der Aufwand während dem tatsächlichen Kühlvorgang aufwendig und kostenintensiv sind.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2015 101 392 A1 eine Abgasklappenvorrichtung bekannt, bei der zwischen dem Aktorgehäuse und dem Strömungsgehäuse Rippen angeordnet sind, durch die die Wärmeübertragung zwischen den beiden Gehäusen durch Verringerung der wärmeübertragenden Fläche reduziert wird. Eine gezielte Luftströmung wird nicht geschaffen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klappenvorrichtung bereitzustellen, welche eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung einer Kühlung des Aktorgehäuses und/oder des Strömungsgehäuses ermöglicht, wobei durch die Kühlung der Aktor und andere Komponenten der Klappenvorrichtung vor einer thermischen Überlastung geschützt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Dadurch, dass ein Luftleitelement vorgesehen ist, welches zwischen dem Aktorgehäuse und dem Strömungsgehäuse angeordnet ist und einen Luftkanal ausbildet, wobei eine Ausströmöffnung des Luftkanals in Schwerkraftrichtung oberhalb einer Einströmöffnung des Luftkanals angeordnet ist, wobei das Luftleitelement orthogonal zu der Hauptströmungsrichtung des in dem Strömungskanals strömenden Abgasmassenstroms angeordnet ist und der Aktor einen Elektromotor aufweist, welcher in Schwerkraftrichtung unterhalb des Strömungsgehäuses angeordnet ist, wird auf eine einfache und kostengünstige Weise ein Luftkanal zur Kühlung des Strömungsgehäuses bzw. des Aktorgehäuses gebildet. Dabei erfolgt durch den Luftkanal eine dauerhafte Abführung der erwärmten Luft nach oben und damit weg von der Klappenvorrichtung, wodurch der Wärmeübergang zum Aktorgehäuse deutlich reduziert wird und dadurch ein ausreichender Schutz vor der thermischen Überlastung des Aktors und der anderen Komponenten der Klappenvorrichtung gewährleistet wird. Die von dem Strömungsgehäuse abstrahlende Wärme steigt entgegen der Schwerkraftrichtung auf, ohne eine Erwärmung des Elektromotors durch die vom Strömungskanal abstrahlende Wärme zu verursachen. Dabei wird die aus dem Betrieb des Elektromotors resultierende Wärme durch den durch das Luftleitelement bildenden Luftkanal abgeführt.
Der Luftstrom durch den Luftkanal erfolgt durch die freie Konvektion bzw. die Schwerkraftzirkulation. Die freie Konvektion bzw. die Schwerkraftzirkulation basiert auf dem Dichteunterschied zwischen heißen und kalten Gasen. Dabei wird die Luft in dem Luftkanal erwärmt, die erwärmte Luft, die eine geringere Dichte als die kalte Luft aufweist, steigt gegen die Schwerkraftrichtung auf und strömt aus der Ausströmöffnung aus dem Luftkanal aus. Durch das Entweichen der erwärmten Luft aus dem Luftkanal bildet sich ein Druckunterschied zwischen dem Luftkanal und der Umgebung, wodurch die kalte Luft durch die Einströmöffnung in den Luftkanal einströmt. Dieser Vorgang wiederholt sich stetig, so dass eine stetige Abführung der warmen Luft nach oben erfolgt und somit ein dauerhafter Wärmabtransport stattfindet.
Vorzugsweise begrenzt das Strömungsgehäuse den Luftkanal einseitig. Dadurch wird der Luftkanal durch das Luftleitelement und das Strömungsgehäuse gebildet, wodurch der Luftkanal einfach und kostengünstig gebildet werden kann. Außerdem umströmt der durch den Luftkanal strömende Kühlluftstrom direkt die Oberfläche des Strömungsgehäuses, wodurch die Wärme direkt am Ort der Entstehung abgeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Luftkanal stetig von der Einströmöffnung zur Ausströmöffnung entgegen der Schwerkraftrichtung, wodurch strömungsbehindernde Umlenkungen des Luftstroms vermieden werden.
Vorzugsweise ist das Luftleitelement am Aktorgehäuse angeordnet, wobei Wärme direkt aus dem wärmeempfindlichen Aktorgehäuse durch den durch den Luftkanal strömenden Luftstrom abgeführt werden kann. Zusätzlich entsteht eine Isolationswirkung dieses Luftstroms gegenüber der Strahlungswärme aus dem Strömungsgehäuse, so dass eine Überhitzung der im Aktorgehäuse angeordneten Komponenten, insbesondere eine Überhitzung des Elektromotors, verhindert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Luftleitelement als ein doppelwandiger Gehäuseabschnitt des Strömungsgehäuses oder als doppelwandiger Gehäuseabschnitt des Aktorgehäuses ausgebildet, wodurch das Luftleitelement einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Vorzugsweise ist das Strömungsgehäuse oder das Aktorgehäuse einstückig mit dem Luftleitelement ausgebildet, wodurch der Montageaufwand der Klappenvorrichtung reduziert wird, da keine zusätzlichen Montageschritte zum Befestigen des Luftleitelements benötigt werden. Außerdem werden keine zusätzlichen Befestigungsmittel zum Befestigen des Luftleitelements am Aktorgehäuse bzw. am Strömungsgehäuse benötigt, wodurch die Teileanzahl der Klappenvorrichtung reduziert wird.
Vorzugsweise erstreckt sich das Luftleitelement parallel zur Wand des Strömungsgehäuses oder zur Wand des Aktorgehäuses, wodurch die von dem Kühlluftstrom umströmte Wärmeübertragungsoberfläche vergrößert wird und dadurch die Kühlung des Strömungsgehäuses bzw. des Aktorgehäuses verbessert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Luftleitelement durch eine Wand des Aktorgehäuses und eine Wand des Strömungsgehäuses sowie zwei das Aktorgehäuse mit dem Strömungsgehäuse verbindende Begrenzungswände gebildet, wobei die Wand des Aktorgehäuses, die Wand des Strömungsgehäuses und die Begrenzungswände den Luftkanal begrenzen. Auf diese Weise werden das Strömungsgehäuse und das Stellergehäuse gleichzeitig gekühlt beziehungsweise die Wärme aus ihnen abgeführt.
Vorzugsweise ist die Ausströmöffnung in Schwerkraftrichtung oberhalb der Außenumfangsfläche des Strömungsgehäuses oder des Aktorgehäuses angeordnet, wodurch der Temperaturunterschied zwischen der Ausströmöffnung und dem Luftkanal erhöht wird und dadurch der Luftstrom durch den Luftkanal, resultierend aus der freien Konvektion, und damit der Wärmeabtransport erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Klappenelement an einer Klappenwelle angeordnet, wobei die Klappenwelle den Luftkanal des Luftleitelements durchdringt. Vorzugsweise ist die Klappenwelle über ein erstes Lager im Strömungsgehäuse gelagert, wobei die Klappenwelle den Luftkanal des Luftleitelements im Bereich des ersten Lagers durchdringt. Dadurch, dass die Klappenwelle den Luftkanal durchdringt, wird die Klappenwelle durch den Luftstrom direkt gekühlt beziehungsweise die Wärme direkt aus der Welle abgeführt, wodurch die Wärmeübertragung über die Klappenwelle an den Aktor reduziert wird Außerdem werden die Wärmedehnungen der Klappenwelle reduziert und das die Klappenwelle in dem Strömungsgehäuse lagernde Lager gekühlt, wodurch die durch die Wärmedehnungen verursachten Belastungen der Klappenwelle und des Klappenelements reduziert werden und die Lebensdauer der Klappenvorrichtung erhöht wird.
Es wird somit eine Klappenvorrichtung geschaffen, welche eine einfache und kostengünstige Kühlung des Aktorgehäuses und/oder des Strömungsgehäuses bereitstellt, wodurch ein ausreichender Schutz vor der thermischen Überlastung des Aktors oder der anderen Komponenten der Klappenvorrichtung gewährleistet wird.
Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführung einer Klappenvorrichtung in Schnittdarstellung.
Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung 10. Die Klappenvorrichtung 10 weist ein Strömungsgehäuse 20 auf, in dem ein Strömungskanal 22 ausgebildet ist. In dem Strömungskanal 22 ist ein Klappenelement 24 angeordnet, über das der Durchströmungsquerschnitt des Strömungskanals 22 geregelt werden kann, indem das Klappenelement 24 im Strömungskanal 22 gedreht wird.
Hierzu ist das Klappenelement 24 auf einer Klappenwelle 26 befestigt, die ausgehend vom Strömungsgehäuse 20 in das Aktorgehäuse 30 ragt. Am zum Klappenelement 24 gegenüberliegenden Ende ist auf der Klappenwelle 26 ein Abtriebszahnrad 38 befestigt, welches Teil eines als Stirnradgetriebe ausgebildeten Getriebes 36 ist. Dieses Getriebe 36 wird über einen Elektromotor 34 bei entsprechender Bestromung des Elektromotors 34 angetrieben. Hierzu ist auf einer Ausgangswelle des Elektromotors 34 ein Antriebsritzel 40 befestigt, welches als Antriebsglied des Getriebes 36 wirkt, so dass die Drehbewegung des Elektromotors 34 untersetzt über das Getriebe 36 auf die Klappenwelle 26 und damit auf das Klappenelement 24 übertragen wird.
Der Elektromotor 34 und das Getriebe 36 dienen somit als Aktor 32 der Klappenvorrichtung 10 und sind in einem gemeinsamen Aktorgehäuse 30 angeordnet. Das Aktorgehäuse 30 weist ein Hauptgehäuseteil 42, in dem der Elektromotor 34 und das Getriebe 36 montiert sind, und einen einen Aktorinneraum 44 verschließenden Deckel 46 auf. Um den verwendeten Bauraum möglichst gering zu halten und den Elektromotor 34 und das Getriebe 36 einfach montieren zu können, ragt der parallel zur Klappenwelle 26 angeordnete Elektromotor 34 in Richtung des Strömungsgehäuses 20.
Um den Elektromotor 34 und andere Komponenten der Klappenvorrichtung 10 vor einer thermischen Überbelastung zu schützen, weist das Strömungsgehäuse 20 erfindungsgemäß ein Luftleitelement 60 auf, welches einstückig mit dem Strömungsgehäuse 20 ausgebildet ist. Das Luftleitelement 60 ist zwischen dem Strömungsgehäuse 20 und dem Aktorgehäuse 30 angeordnet und bildet zusammen mit der Wand 70 des Strömungsgehäuses 20 einen Luftkanal 64, wobei der Luftkanal 64 zusätzlich durch zwei, zwischen dem Luftleitelement 60 und der Wand 70 erstreckende Begrenzungswände 68 begrenzt wird. In der Figur ist lediglich eine Begrenzungswand 68 dargestellt.
Der Luftkanal 64 weist eine Einströmöffnung 72 und eine Ausströmöffnung 74 auf, wobei die Ausströmöffnung 74 des Luftkanals 64 in Schwerkraftrichtung oberhalb der Einströmöffnung 72 des Luftkanals 64 angeordnet ist. Der Luftkanal 64 ist orthogonal zur Hauptströmungsrichtung des in dem Strömungskanal 22 strömenden Abgasmassenstroms und verläuft stetig von der Einströmöffnung 72 zur Ausströmöffnung 74 entgegen der Schwerkraftrichtung, so dass die strömungsbehindernden Umlenkungen des Luftstroms durch den Luftkanal 64 vermieden werden. In der Figur ist der Luftstrom durch die durch den Luftkanal 64 verlaufenden Strömungspfeile gezeigt.
Der Luftstrom durch den Luftkanal 64 wird durch die freie Konvektion bzw. die Schwerkraftzirkulation hervorgerufen. Die freie Konvektion bzw. die Schwerkraftzirkulation basiert auf dem Dichteunterschied zwischen heißen und kalten Gasen. Dabei wird die Luft an der Einströmöffnung 72 erwärmt, die erwärmte Luft, die eine geringere Dichte als kalte Luft aufweist, steigt gegen die Schwerkraftrichtung auf und strömt aus der Ausströmöffnung 74 aus dem Luftkanal 64 aus. Durch das Entweichen der erwärmten Luft aus dem Luftkanal 64 bildet sich ein Druckunterschied zwischen dem Inneren des Luftkanals 64 und der Umgebung, wodurch kalte Luft durch die Einströmöffnung 72 in den Luftkanal 64 einströmt. Dieser Vorgang wiederholt sich, so dass ein stetiger Luftaustausch zwischen warmer und kalter Luft stattfindet.
Das Strömungsgehäuse 20 weist eine koaxial zur Klappenwelle 26 ausgebildete Lageraufnahme 50 auf. In der Lageraufnahme 50 ist ein erstes Lager 27 angeordnet, welches die Klappenwelle 26 drehbar lagert. Außerdem ist die Klappenwelle 26 über ein zweites Lager 29 in dem Aktorgehäuse 30 drehbar gelagert. Die Lageraufnahme 50 und die Klappenwelle 26 durchdringen den Luftkanal 64, wodurch Wärme aus der Lageraufnahme 50 und der Klappenwelle 26 abgeführt wird. Dadurch werden die in dem Aktorgehäuse 30 angeordneten Komponenten sowie das in der Lageraufnahme 50 angeordnete erste Lager 27 geschützt und dadurch die Lebensdauer der Klappenvorrichtung 10 erhöht.
Es wird somit eine Klappenvorrichtung 10 geschaffen, welche auf eine einfache und kostengünstige Weise die Kühlung der im Strömungsgehäuse 20 bzw. der im Aktorgehäuses 30 angeordneten Komponenten bereitstellt, wodurch ein ausreichender Schutz vor der thermischen Überlastung der Komponenten der Klappenvorrichtung 10, insbesondere des Aktors 32, gewährleistet wird.
Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausführungsformen der Klappenvorrichtung im Vergleich zur beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Insbesondere könnte das Luftleitelement anders ausgeführt sein, wobei das Luftleitelement beispielsweise am Aktorgehäuse ausgebildet werden kann und dabei einstückig mit dem Aktorgehäuse ausgebildet sein kann oder am Aktorgehäuse befestigt sein kann.

Claims

Klappenvorrichtung mit einem Strömungsgehäuse (20), in dem ein Strömungskanal (22) ausgebildet ist, wobei in dem Strömungskanal (22) ein Klappenelement (24) angeordnet ist, welches einen Abgasmassenstrom regelt, und einem Aktorgehäuse (30), in dem ein Aktor (32) zur Betätigung des Klappenelementes (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftleitelement (60) vorgesehen ist, welches zwischen dem Aktorgehäuse (30) und dem Strömungsgehäuse (20) angeordnet ist und einen Luftkanal (64) ausbildet, wobei eine Ausströmöffnung (74) des Luftkanals (64) in Schwerkraftrichtung oberhalb einer Einströmöffnung (72) des Luftkanals (64) angeordnet ist, wobei das Luftleitelement (60) orthogonal zu der Hauptströmungsrichtung des in dem Strömungskanals (22) strömenden Abgasmassenstroms angeordnet ist und der Aktor (32) einen Elektromotor (34) aufweist, welcher in Schwerkraftrichtung unterhalb des Strömungsgehäuses (20) angeordnet ist.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (20) den Luftkanal (64) einseitig begrenzt.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Luftkanal (64) stetig von der Einströmöffnung (72) zur Ausströmöffnung (74) entgegen der Schwerkraftrichtung erstreckt.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitelement (60) am Aktorgehäuse (30) angeordnet ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitelement (60) als ein doppelwandiger Gehäuseabschnitt des Strömungsgehäuses (20) oder als doppelwandiger Gehäuseabschnitt des Aktorgehäuses (30) ausgebildet ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (20) oder das Aktorgehäuse (30) einstückig mit dem Luftleitelement (60) ausgebildet ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Luftleitelement (60) parallel zur Wand (70) des Strömungsgehäuses (20) oder parallel zur Wand des Aktorgehäuses (30) erstreckt.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitelement (60) durch eine Wand des Aktorgehäuses (30) und eine Wand (70) des Strömungsgehäuses (20) sowie zwei das Aktorgehäuse (30) mit dem Strömungsgehäuse (20) verbindende Begrenzungswände (68) gebildet ist, wobei die Wand des Aktorgehäuses (30), die Wand (70) des Strömungsgehäuses (20) und die Begrenzungswände (68) den Luftkanal (60) begrenzen.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (74) in Schwerkraftrichtung oberhalb der Außenumfangsfläche des Strömungsgehäuses (20) oder des Aktorgehäuses (30) angeordnet ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klappenelement (24) an einer Klappenwelle (26) angeordnet ist, wobei die Klappenwelle (26) den Luftkanal (64) des Luftleitelements (60) durchringt.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (24) über ein erstes Lager (27) im Strömungsgehäuse (20) gelagert ist, wobei die Klappenwelle (26) den Luftkanal (64) des Luftleitelements (60) im Bereich des ersten Lagers (27) durchdringt.