DE102017128541A1

DE102017128541A1 - Abgasweiche für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017128541A1
Application number: DE102017128541.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Wagner; Till Neumann; Markus Baumann; Bernd Bareis
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-12-02
Also published as: CN109931167A; DE102017128541B4; CN109931167B; US10711739B2; US20190170091A1

Abstract

Beschrieben wird eine Abgasweiche, insbesondere für Lastkraftwagen, mit einem Gehäuse (3), das einen Einlass (4), einen ersten Auslass (5) und einen zweiten Auslass (6) aufweist, einer aus dem Gehäuse (3) herausgeführten Welle (8), und einer in dem Gehäuse (3) angeordneten Klappe (7), die mittels der Welle (8) zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung um eine geometrische Schwenkachse schwenkbar ist, wobei die Klappe (7) einen Sperrabschnitt (7a) aufweist, der in der ersten Stellung den ersten Auslass (5) und in der zweiten Stellung den zweiten Auslass (6) absperrt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Klappe (7) ein Gegengewicht (11) zu dem Sperrabschnitt (7a) trägt, wobei die geometrische Schwenkachse zwischen dem Sperrabschnitt (7a) und dem Gegengewicht (11) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasweiche für den Abgasstrang eines Fahrzeugs. Eine Abgasweiche mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der DE 10 2014 102 358 A1 bekannt.
Abgasweichen werden im Abgasstrang von Fahrzeugen eingesetzt und manchmal auch als Bypassklappen bezeichnet. Sie dienen insbesondere zur Regelung und Aufteilung von Gasströmen im Abgasstrang. Beispielsweise kann mit einer solchen Abgasweiche ein Abgasstrom je nach Bedarf einer Wärmeenergierückgewinnungsanlage oder einem Auspuff zugeführt werden.
Abgasweichen für den Abgasstrang von Nutzfahrzeugen sind naturgemäß groß und dadurch besonders anfällig gegenüber Schwingungsanregungen. Aufgrund von Größe und Gewicht der Klappen können dabei erhebliche Beanspruchungen an verschiedenen Bauteilen, insbesondere Wellen und Aktuatoren, auftreten, die sowohl das Regelverhalten der Abgasweiche beeinträchtigen als auch die Lebensdauer der Abgasweiche oder eines dazugehörenden Aktuators deutlich reduzieren können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Schwingungsbelastung von Abgasweichen im Abgasstrang eines Fahrzeugs reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasweiche mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Wie bei herkömmlichen Abgasweichen, ist bei einer erfindungsgemäßen Abgasweiche eine Klappe mittels einer exzentrisch angeordneten Welle zwischen einer ersten Position, in der ein erster Auslass des Gehäuses abgesperrt ist, und einer zweiten Position, in der ein zweiter Auslass des Gehäuses abgesperrt ist, schwenkbar beweglich. Die Welle ist dabei neben einem von dem Gehäuse definierten Strömungskanal angeordnet, der von dem Einlass des Gehäuses zu dem ersten bzw. zweiten Auslass des Gehäuses führt. Der Teil der Klappe, der in diesen beiden Positionen den von dem Gehäuse gebildeten Kanal zu dem ersten bzw. zweiten Auslass versperrt, wird im Folgenden als Sperrabschnitt bezeichnet. Der Sperrabschnitt hat eine Sperrfläche, die der Querschnittsfläche des durch das Gehäuse definierten Strömungskanals entspricht.
Bei einer erfindungsgemäßen Abgasweiche verläuft die durch die Welle definierte Schwenkachse zwischen dem Sperrabschnitt und einem Gegengewicht. Das Gegengewicht reduziert die mechanische Belastung der Welle, insbesondere deren Drehmomentbelastung.
Die Klappe kann durch das Gegengewicht vollständig ausbalanciert sein, d.h. auf beiden Seiten der geometrischen Schwenkachse jeweils ein gleich großes Massenträgheitsmoment haben. Tatsächlich ist ein vollständiges Ausbalancieren aber nicht erforderlich, um bei der Fahrt die aus Schwingungsanregungen resultierenden Belastungen auf ein vernachlässigbares Maß zu reduzieren. Bevorzugt bewirkt das Gegengewicht bei einer Schwenkbewegung der Klappe um die geometrische Schwenkachse ein Massenträgheitsmoment, das wenigstens 15% des Massenträgheitsmoments des von dem Sperrabschnitt der Klappe bewirkten Massenträgheitsmoments beträgt. Für praktische Zwecke wird also angestrebt, dass jener Teil der Klappe, der sich auf der Seite der geometrischen Schwenkachse befindet, auf der das Gegenwicht angeordnet ist, ein Massenträgheitsmoment hat, das mindestens 15% des Massenträgheitsmoments des Teils der Klappe auf der gegenüberliegenden Seite der geometrischen Schwenkachse beträgt. Bevorzugt bewirkt das Gegengewicht bei einer Schwenkbewegung der Klappe um die geometrische Schwenkachse ein Massenträgheitsmoment, das wenigstens 25% des Massenträgheitsmoments des von dem Sperrabschnitt der Klappe bewirkten Massenträgheitsmoments beträgt.
Das Gegengewicht kann beispielsweise als ein Stift ausgebildet sein, der parallel zur geometrischen Schwenkachse angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Klappe zwei übereinander angeordnete Blechscheiben aufweist, zwischen denen ein Abschnitt der Welle befestigt ist. Blechscheiben können kostengünstig in der gewünschten Form hergestellt werden. Vorteilhaft können die Blechscheiben nicht nur den Sperrabschnitt der Klappe ausbilden, sondern sich auch auf die gegenüberliegende Seite der geometrischen Schwenkachse erstrecken, so dass auch das Gegengewicht an den Blechscheiben befestigt werden kann, beispielsweise, indem es zwischen den Blechscheiben angeordnet wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Blechscheiben in dem Sperrabschnitt durch eingeprägte Sicken versteift sind. Auf diese Weise lässt sich durch dünne Blechscheiben eine mechanisch stabile Klappe erzeugen. Ein geringes Klappengewicht bedeutet eine vorteilhaft geringe Belastung der Welle und des Aktuators.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Blechscheiben Aussparungen zur Gewichtsreduktion aufweisen. Eine Aussparung in einer der beiden Blechscheiben ist dabei jeweils durch die andere Blechscheibe verdeckt, so dass die Klappe eine geschlossene, gasdichte Oberfläche hat. Beispielsweise kann eine solche Aussparung in einer als Vertiefung ausgebildeten Sicke angeordnet sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die Klappe auf der von dem Gegengewicht abgewandten Seite der geometrischen Schwenkachse keilförmig verjüngt. Mit anderen Worten ist also bevorzugt, dass die Dicke des Sperrabschnitts mit zunehmendem Abstand von der geometrischen Schwenkachse abnimmt. Vorteilhaft können auf diese Weise, die Eigenfrequenzen der Klappe zu höheren Werten verschoben und so die Anregung von Biegeschwingungen weiter erschwert werden. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn sich die Tiefe der in dem Sperrabschnitt eingeprägten Sicken mit zunehmenden Abstand von der geometrischen Schwenkachse reduziert.
Bevorzugt sind die übereinander liegenden Blechscheiben gleich ausgebildet. Auf diese Gehäuse lassen sich Teilekosten einsparen und die Fertigung vereinfachen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasweiche mit einem Aktuator;
2 eine weitere Ansicht zu 1;
3 eine Schnittansicht der in den 1 und 2 gezeigten Abgasweiche;
4 die Klappe, der in den 1 bis 4 dargestellten Abgasweiche; und
5 Teile der in 4 dargestellten Klappe.

In den 1 und 2 ist eine Abgasweiche 1 für den Abgasstrang eines Nutzfahrzeugs zusammen mit einem Aktuator 2 zu ihrer Betätigung dargestellt. Die Abgasweiche 1 ist in 3 in einer Schnittansicht dargestellt.
Die Abgasweiche 1 hat ein Gehäuse 3 mit einem Einlass 4, einem ersten Auslass 5 und einem zweiten Auslass 6. In dem Gehäuse 3 ist eine Klappe 7 angeordnet, die mittels einer aus dem Gehäuse 3 herausgeführten und an den Aktuator 2 angeschlossenen Welle 8 zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung schwenkbar ist. Die Welle 8 ist exzentrisch zu der Klappe 7 neben einem Strömungskanal angeordnet, der in dem Gehäuse 3 von dem Einlass 4 zu dem ersten bzw. dem zweiten Auslass führt.
In ihrer ersten Stellung liegt die Klappe 7 an einem von dem Gehäuse 3 gebildeten ersten Ventilsitz 9 an und verschließt mit einem Sperrabschnitt 7a den ersten Auslass 5. In ihrer zweiten Stellung liegt die Klappe 7 an einem zweiten von dem Gehäuse gebildeten Ventilsitz 10 an und versperrt dann mit dem Sperrabschnitt 7a den zweiten Auslass 6. Der Sperrabschnitt 7a ist also der Teil der Klappe 7, der in der ersten bzw. zweiten Stellung der Klappe 7 den ersten bzw. zweiten Auslass absperrt. Die Fläche des Sperrabschnitts 7a entspricht somit im Wesentlichen der freien Querschnittsfläche des Strömungskanals, den das Gehäuse 3 an dem ersten bzw. zweiten Ventilsitz definiert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sperrabschnitt 7a der Klappe 7 ein kreisförmiger Abschnitt einschließlich des in der ersten bzw. zweiten Stellung der Klappe 7 an dem Ventilsitz 9, 10 anliegenden Klappenrands.
An den Sperrabschnitt 7a der Klappe 7 schließt ein weiterer Abschnitt an, in dem die Welle 8 und ein Gegengewicht 11 zu dem Sperrabschnitt 7a angeordnet ist. Die durch die Welle 8 definierte Schwenkachse der Klappe 7 verläuft dabei zwischen dem Gegengewicht 11 und dem Sperrabschnitt 7a der Klappe 7.
Das Gegengewicht 11 bewirkt eine mechanische Entlastung der Welle 8 und des Aktuators 2. Insbesondere werden durch das Gegengewicht 11 die mit der Anregung von Schwingungen während der Fahrt verbundenen Belastungen deutlich reduziert. Das Gegengewicht 11 kann beispielsweise ein Stift sein, der parallel zu der geometrischen Schwenkachse angeordnet ist. Der Begriff „parallel“ ist dabei im Rahmen üblicher Fertigungstoleranzen zu verstehen, die naturgemäß eine kleine Abweichung von einer perfekten geometrischen Parallele zu lassen müssen.
Bei einer durch die Welle 8 bewirkten Schwenkbewegung hat das Gegengewicht 11 beispielsweise ein Massenträgheitsmoment, das wenigstens 15% des Massenträgheitsmoments des Sperrabschnitts 7a beträgt, vorzugsweise wenigstens 25% des Massenträgheitsmoments des Sperrabschnitts 7a. Dabei sollte das Massenträgheitsmoment des Gegengewichts 11 nicht mehr als 100% des Massenträgheitsmoments des Sperrabschnitts 7a betragen, bevorzugt nicht mehr als 60%.
Das Gegengewicht 11 ist in dem Gehäuse 3 in einem Nebenraum 17 angeordnet, der neben dem Strömungskanal liegt, der in dem Gehäuse 3 von dem Einlass 4 zu dem ersten bzw. zweiten Auslass führt. Der Nebenraum 17 ist durch eine Öffnung in einem Gehäusekörper definiert, die durch einen Deckel 18 verschlossen ist. Der Gehäusekörper kann beispielsweise ein Gussteil sein, während der Deckel 18 bevorzugt aus Blech ist.
Die Klappe 7 weist zwei übereinander angeordnete Blechscheiben 12, 13 auf, zwischen denen ein Abschnitt der Welle 8 befestigt ist. Das Gegengewicht 11 kann ebenfalls zwischen den beiden Blechscheiben 12, 13 angeordnet sein. Die Blechscheiben 12, 13 sind in dem Sperrabschnitt 7a, der bevorzugt kreisförmig ausgebildet ist, durch Sicken 14, 15, 16 versteift.
Zur Gewichtsreduktion haben die beiden Blechscheiben 12, 13 Aussparungen 19, beispielsweise in einer als Vertiefung ausgebildeten Sick 16. Die Aussparungen 19 in einer der beiden Blechscheiben 12, 13 sind jeweils durch die jeweils andere Blechscheibe 13, 12 abgedeckt. Indem die beiden Blechscheiben 12, 13 stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, wird deshalb trotz der Aussparungen 19 ein geschlossener, gasdichter Sperrabschnitt 7a der Klappe 7 geschaffen. Die Aussparungen 19 ermöglichen eine vorteilhafte Gewichtsersparnis der Klappe 7, wodurch mechanische Belastungen der Welle noch weiter reduziert werden können.
Wie insbesondere 4 zeigt, verjüngt sich die Klappe 7 auf der von dem Gegengewicht 11 abgewandten Seite der geometrischen Schwenkachse keilförmig. Mit anderen Worten verjüngt sich die Klappe 7 in dem Sperrabschnitt 7a keilförmig. Die Sicken 14, 15, 16 haben deshalb eine Tiefe, die mit zunehmendem Abstand von der geometrischen Schwenkachse abnimmt. Diese besondere Form der Klappe 7 trägt ebenfalls dazu bei, die Schwingungsanfälligkeit des aus Klappe 7 und Welle 8 gebildeten Systems zu reduzieren.
Die Blechscheiben 12, 13 sind gleich ausgebildet und stoffflüssig miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschweißt. Die Blechscheiben 12, 13 können auch mit der Welle 8 und dem Gegengewicht 11 verschweißt sein.
Durch die beschriebene Ausgestaltung der Klappe 7 kann die Eigenfrequenz des aus Klappe 7 und Welle 8 gebildeten Systems auf Werte von über 100 Hz erhöht werden, so dass die Schwingungsanregung während der Fahrt und die damit verbundene mechanische Belastung der Welle 8 wesentlich reduziert sind.
Bezugszeichenliste

1: Abgasweiche
2: Aktuator
3: Gehäuse
4: Einlass
5: Erster Auslass
6: Zweiter Auslass
7: Klappe
7a: Sperrabschnitt
8: Welle
9: Ventilsitz
10: Ventilsitz
11: Gegengewicht
12: Blechscheiben
13: Blechscheiben
14: Sicken
15: Sicken
16: Sicken
17: Nebenraum
18: Deckel
19: Aussparung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014102358 A1 [0001]

Claims

Abgasweiche, insbesondere für Lastkraftwagen, mit einem Gehäuse (3), das einen Einlass (4), einen ersten Auslass (5) und einen zweiten Auslass (6) aufweist, einer aus dem Gehäuse (3) herausgeführten Welle (8), und einer in dem Gehäuse (3) angeordneten Klappe (7), die mittels der Welle (8) zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung um eine geometrische Schwenkachse schwenkbar ist, wobei die Klappe (7) einen Sperrabschnitt (7a) aufweist, der in der ersten Stellung den ersten Auslass (5) und in der zweiten Stellung den zweiten Auslass (6) absperrt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (7) ein Gegengewicht (11) zu dem Sperrabschnitt (7a) trägt, wobei die geometrische Schwenkachse zwischen dem Sperrabschnitt (7a) und dem Gegengewicht (11) angeordnet ist.
Abgasweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (7) zwei übereinander angeordnete Blechscheiben (12, 13) aufweist, zwischen denen ein Abschnitt der Welle (8) gehalten ist.
Abgasweiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (11) zwischen den beiden Blechscheiben (12, 13) angeordnet ist.
Abgasweiche nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Blechscheiben (12, 13) Aussparungen (19) aufweisen, wobei jede dieser Aussparung (18) einer der beiden Blechscheiben (12, 13) jeweils von der anderen Blechscheibe (13, 12) abgedeckt ist.
Abgasweiche nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechscheiben (12, 13) in dem Sperrabschnitt (7a) durch Sicken (14, 15, 16) versteift sind.
Abgasweiche nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der der Sicken (16) als eine Vertiefung ausgebildet ist, in der die Aussparung (19) angeordnet ist.
Abgasweiche nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Sicken (14, 15, 16) mit zunehmendem Abstand von der geometrischen Schwenkachse abnimmt.
Abgasweiche nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechscheiben (12, 13) gleich ausgebildet sind.
Abgasweiche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (11) in einem Nebenraum (17) des Gehäuses (3) angeordnet ist, der neben einem durch das Gehäuse (3) definierten Strömungskanal angeordnet ist.
Abgasweiche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegengewicht (11) ein parallel zur geometrischen Schwenkachse angeordneter Stift ist.
Abgasweiche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Klappe (7) auf der von dem Gegengewicht (11) abgewandten Seite der geometrischen Schwenkachse keilförmig verjüngt.
Abgasweiche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der durch die Klappe (7) bewirkten Schwenkbewegung das Gegengewicht (11) ein Massenträgheitsmoment hat, das wenigstens 15% des Massenträgheitsmoments des Sperrabschnitts (7a) beträgt, vorzugsweise wenigstens 25% des Massenträgheitsmoments des Sperrabschnitts (7a) beträgt.