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Die Erfindung betrifft allgemein Abgasanlagen, die mit einem Energierückgewinnungssystem versehen sind.
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Insbesondere betrifft die Erfindung bei einem ersten Aspekt eine Abgasstrangbaugruppe der Art mit:
- - einem Wärmetauscher mit einer Abgasumlaufseite, die einen mit dem Abgaseinlass verbundenen Tauschereinlass und einen mit dem Abgasauslass verbundenen Tauscherauslass aufweist, wobei der Wärmetauscher ferner eine Wärmeübertragungsfluidumlaufseite mit einem Wärmeübertragungsfluideinlass und einem Wärmeübertragungsfluidauslass aufweist,
- - einer Umgehungsleitung, die einen Durchgangsweg für die Abgase vom Abgaseinlass zum Abgasauslass bildet und den Wärmetauscher umgeht,
- - einem Ventil, das die durch den Wärmetauscher bzw. durch die Umgehungsleitung umlaufenden Abgasmengen einstellt, wobei das Ventil einen innenseitig von den Abgasen durchströmten Ventilkörper aufweist, wobei im Inneren des Ventilkörpers eine Klappe angeordnet ist, die relativ zum Ventilkörper beweglich ist, sowie eine Welle zum Antreiben der Klappe.
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Eine solche Baugruppe ist beispielsweise aus der
FR 2 966 873 bekannt. Bei einer solchen Baugruppe wird die Antriebswelle von den in der Umgehungsleitung strömenden Abgasen auf eine hohe Temperatur erwärmt. Bei einer Gastemperatur von 850°C erreicht die Temperatur der Antriebswelle am mit dem Stellantrieb verbundenen Ende 550 bis 600°C. Das Führungslager der Welle, der Stellantrieb und die kinematische Kette, die den Stellantrieb mit der Antriebswelle koppelt, müssen daher extrem hohen Temperaturen standhalten.
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Dies hat zur Folge, dass die für das Lager und die Elemente der kinematischen Kette verwendeten Materialien aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit gewählt werden müssen, jedoch andere Schwächen aufweisen. Insbesondere ist es schwierig, die während der Drehung der Klappe entstehenden Geräusche zu beseitigen. Außerdem entstehen bei hoher Temperatur wegen der Ausdehnung der Achse relativ zum Lager erhebliche Spielräume. Ferner tritt entlang der Welle zur Außenseite des Abgasstrangs Gas aus.
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Üblicherweise wird zum Antreiben der Klappe ein Elektromotor verwendet. Derartige Stellantriebe weisen normalerweise ein Kunststoffgehäuse sowie Kunststoffzahnräder auf. Der Motor und seine Elektronik sind somit fallabhängig für Temperaturen über 120 oder 140°C nicht geeignet.
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Infolgedessen ist es in der Regel erforderlich, die Abtriebswelle des Stellantriebs von der Antriebswelle weg zu verlagern, um eine direkte Wärmeleitung zu begrenzen. Es ist auch üblich, zwischen dem Stellantrieb und dem Ventil zusätzlich Hitzeschilde vorzusehen.
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Zudem ist der Stellantrieb üblicherweise über Laschen an sehr heißen Teilen der Baugruppe befestigt. Diese Laschen leiten Wärme zum Stellantrieb. Um dieses Problem zu beheben, ist es möglich, den Stellantrieb weiter weg zu verlagern. Dadurch wird die gesamte Baugruppe jedoch weniger kompakt und vibrationsempfindlich.
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Die Aufgabe der Erfindung ist dabei, eine Baugruppe vorzuschlagen, bei der die oben genannten Probleme unterdrückt oder abgeschwächt werden.
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Hierzu betrifft die Erfindung eine Abgasstrangbaugruppe der vorgenannten Art, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe einen Fluidbehälter umfasst, der mit der Wärmeübertragungsfluidumlaufseite in Strömungsverbindung steht und zur Kühlung der Antriebswelle um die Welle herum angeordnet ist.
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Somit wird bei der Erfindung das im Wärmetauscher umlaufende Wärmeübertragungsfluid zur Kühlung der Antriebswelle eingesetzt. Dieses Wärmeübertragungsfluid kann leicht zu dem Fluidbehälter hin geführt werden, da das Ventil sehr nahe am Wärmetauscher angeordnet ist.
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Die Maximaltemperatur des Wärmeübertragungsfluids liegt in der Größenordnung von 120°C. Sie ist daher deutlich geringer als die Temperatur der Antriebswelle und kann diese sehr effektiv kühlen. Dadurch wird der Stellantrieb auf einer geeigneten Temperatur gehalten. Es ist dadurch auch möglich, die kinematische Kette und das Führungslager der Antriebswelle auf Temperaturen zu halten, die weit unter den im Stand der Technik bekannten Temperaturen liegen. Demzufolge ist es möglich, kostengünstigere bzw. effizientere Materialien zu verwenden, die insbesondere gegenüber dem Abgas lecksicherer sind, um Undichtigkeiten nach außen zu begrenzen. Dadurch wird auch die Reibung zwischen der Antriebswelle und dem Lager verringert und zudem die Lebensdauer des Lagers erhöht.
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Die kinematische Kette, die den Stellantrieb mit der Antriebswelle verbindet, kann vereinfacht werden, und insbesondere kann der Stellantrieb näher an die Antriebswelle heran verlagert werden.
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Das macht das Ganze kompakter und unempfindlicher gegenüber Vibrationen.
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Die Baugruppe kann auch eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in jeder technisch machbaren Kombination betrachtet werden:
- - Der Fluidbehälter weist wenigstens eine erste und eine zweite Öffnung auf, wobei die erste Öffnung mit dem Wärmeübertragungsfluideinlass oder dem Wärmeübertragungsfluidauslass strömungsmäßig verbunden ist, während die zweite Öffnung zum Anschluss an einen Wärmerückgewinnungskreis vorgesehen ist;
- - der Fluidbehälter weist eine dritte Öffnung, die mit dem jeweils anderen, also dem Wärmeübertragungsfluidauslass oder dem Wärmeübertragungsfluideinlass, in Verbindung steht, und eine vierte Öffnung auf, die über den Fluidbehälter mit der dritten Öffnung in Strömungsverbindung steht, wobei die vierte Öffnung zum Anschluss an den Wärmerückgewinnungskreis vorgesehen ist;
- - das Ventil umfasst wenigstens ein Führungslager der Antriebswelle, das im Fluidbehälter angeordnet ist;
- - der Fluidbehälter begrenzt im Inneren einen Umlaufkanal zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung, um eine Verengung am Führungslager zu bilden;
- - der Fluidbehälter umfasst eine untere Halbschale und eine obere Halbschale, die dichtend an der unteren Halbschale befestigt ist, vorzugsweise abnehmbar;
- - die untere Halbschale ist starr am Führungslager und am Wärmetauscher angebracht;
- - die Baugruppe umfasst einen Stellantrieb und eine kinematische Kette, über die der Stellantrieb die Antriebswelle der Klappe antreibt, während der Stellantrieb außerhalb des Fluidbehälters an diesem angebracht ist;
- - die Antriebswelle steht vom Fluidbehälter hervor, während die Baugruppe eine Blende um die Antriebswelle herum aufweist, die den Stellantrieb dichtend mit dem Fluidbehälter verbindet;
- - der Stellantrieb ist ein Elektromotor mit einer Abtriebswelle, während die kinematische Kette ein Untersetzungsgetriebe umfasst, das die Abtriebswelle und die Antriebswelle drehend miteinander verbindet;
- - das Untersetzungsgetriebe ist in einem Hohlraum angeordnet, der zwischen dem Fluidbehälter und einer Abdeckung gebildet ist, die dichtend am Fluidbehälter befestigt ist;
- - die Abdeckung weist eine Öffnung auf, durch die das Getriebe mit der Abtriebswelle verbunden ist, während der Stellantrieb dichtend mit der Abdeckung um die Öffnung herum verbunden ist;
- - die Baugruppe umfasst einen Stellantrieb und eine kinematische Kette, über die der Stellantrieb die Antriebswelle der Klappe antreibt, während der Stellantrieb innerhalb des Fluidbehälters untergebracht ist;
- - zwischen der Antriebswelle und dem Führungslager ist eine Dichtung eingefügt;
- - das Führungslager weist Lamellen auf, die mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt sind;
- - die Antriebswelle ist hohl.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Abgasstrang mit einer Baugruppe, die die obigen Merkmale aufweist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, die nur zur Information dient und in keiner Weise einschränkend ist, mit Bezug auf die beigefügten Figuren ersichtlich; darin zeigen:
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Abgasstrangs, der mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe versehen ist,
- - 2 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- - 3 eine Schnittansicht der Baugruppe von 2 in einer Ebene, die durch die Antriebswelle verläuft,
- - 4 eine Ansicht, die der von 2 ähnlich ist, wobei einige Elemente der Baugruppe entfernt wurden, damit die untere Halbschale des Fluidbehälters zu sehen ist,
- - 5 eine perspektivische Ansicht ähnlich der von 4, wobei ein Teil der oberen Halbschale gezeigt ist,
- - 6 eine Explosionsansicht der Baugruppe von 7,
- - 7 eine perspektivische Ansicht des Stellantriebs von 6, in der die Blende und die Dichtung gezeigt sind,
- - 8 eine perspektivische Ansicht einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung,
- - 9 und 10 perspektivische Ansichten der Baugruppe von 8, wobei einige Elemente entfernt wurden, um die inneren Bauteile dieser Baugruppe zu zeigen,
- - 11 und 12 perspektivische Ansichten zweier Varianten einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die obere Halbschale des Fluidbehälters nicht gezeigt ist, damit die im Inneren des Fluidbehälters untergebrachten Bauteile zu sehen sind, und
- - 13 eine vereinfachte schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
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Die Baugruppe 1 ist zum Einbau in einen Fahrzeugabgasstrang 2 vorgesehen, insbesondere eines Kraftfahrzeugs wie ein Auto oder ein LKW, wie in 1 gezeigt.
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Die Baugruppe 1 weist wenigstens einen Abgaseinlass 3 und einen Abgasauslass 5 auf.
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Der Abgaseinlass 3 ist strömungsmäßig mit einem Krümmer C verbunden, der das aus den Verbrennungsräumen des Motors M des Fahrzeugs austretende Abgas sammelt. Üblicherweise sind weitere Vorrichtungen wie etwa ein oder mehrere Schalldämpfer und eine oder mehrere Reinigungsvorrichtungen zwischen dem Krümmer C und dem Abgaseinlass 3 eingefügt.
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Der Abgasauslass 5 steht in Strömungsverbindung mit einer Leitung A, durch die die gereinigten Abgase in die Atmosphäre abgegeben werden. Üblicherweise können weitere Vorrichtungen wie etwa ein oder mehrere Schalldämpfer und eine oder mehrere Reinigungsvorrichtungen zwischen der Leitung A und dem Abgasauslass 5 eingefügt sein.
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Darüber hinaus umfasst die Baugruppe 1 einen Wärmetauscher 7 mit einer Abgasumlaufseite G und einer Wärmeübertragungsfluidumlaufseite F (1).
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Das Abgas und das Wärmeübertragungsfluid stehen im Wärmetauscher 7 in thermischem Kontakt miteinander, wobei die Abgase einen Teil ihrer Wärmeenergie an das Wärmeübertragungsfluid abgeben.
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Der Wärmetauscher 7 ist in den 4 und 5 deutlicher zu erkennen. Er ist von jeder geeigneten Art: mit Rohren, mit Platten, etc.
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Das Wärmeübertragungsfluid ist von jeder geeigneten Art. Beispielsweise kann das Wärmeübertragungsfluid Wasser sein, das möglicherweise Zusatzstoffe wie etwa Frostschutzprodukte enthält, sowie Frostschutzmittel, die normalerweise Glykol enthalten.
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Auf der Abgasumlaufseite G ist ein Wärmetauschereinlass EG mit dem Abgaseinlass 3 verbunden und ein Wärmetauscherauslass SG mit dem Abgasauslass 5 verbunden (1).
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Die Wärmeübertragungsfluidumlaufseite F weist einen Wärmeübertragungsfluideinlass 9 und einen Wärmeübertragungsfluidauslass 11 auf (1, 4 und 5). Bei einer Alternative erfolgt der Umlauf in die entgegengesetzte Richtung.
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Die Baugruppe 1 umfasst ferner eine Umgehungsleitung 13, die einen Durchgangsweg für die Abgase vom Abgaseinlass 3 zum Abgasauslass 5 bildet und den Wärmetauscher 7 umgeht. Damit ist gemeint, dass die durch die Umgehungsleitung 13 strömenden Abgase direkt vom Einlass 3 zum Auslass 5 strömen, ohne den Wärmetauscher 7 zu durchströmen.
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Die Baugruppe 1 umfasst ferner ein Ventil 15, mit dem die durch den Wärmetauscher 7 bzw. durch die Umgehungsleitung 13 strömenden Abgasmengen eingestellt werden (1, 2, 4 und 5).
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Bei dem gezeigten Beispiel ist das Ventil 15 am Abgasauslass 5 angeordnet.
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In diesem Fall umfasst die Baugruppe 1 üblicherweise einen Kegel 17, der den Abgaseinlass 3 strömungsmäßig mit dem Tauschereinlass EG und einem stromaufwärtigen Ende der Umgehungsleitung 13 verbindet.
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Ferner umfasst das Ventil 15 einen innenseitig von den Abgasen durchströmten Ventilkörper 19, eine innerhalb des Ventilkörpers 19 angeordnete Klappe 21, die relativ zum Ventilkörper 19 beweglich ist, sowie eine Welle 23, die die Klappe 21 antreibt.
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Der Ventilkörper 19 verbindet den Abgasauslass 5 strömungsmäßig mit dem Tauscherauslass SG sowie dem stromabwärtigen Ende der Umgehungsleitung 13.
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Alternativ dazu kann das Ventil 15 am Einlass 3 angeordnet sein.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Position des Kegels 17 und die des Ventilkörpers 19 umgekehrt.
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Die Baugruppe 1 umfasst üblicherweise auch einen Stellantrieb 25 und eine kinematische Kette 27, über die der Stellantrieb 25 die Antriebswelle 23 antreibt (2 und 3).
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Die Klappe 21 ist üblicherweise bezüglich des Ventilkörpers 19 drehbeweglich.
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Das Ventil 15 ist zum Beispiel ein Regelventil. In diesem Fall kann die Klappe 21 an mehreren Positionen relativ zum Ventilkörper 19 angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, den Querschnitt des Durchgangs für die Abgase, die vom Auslass SG des Tauschers zum Abgasauslass 5 bzw. vom stromabwärtigen Ende der Umgehungsleitung 13 zum Abgasauslass 5 strömen, zu verändern.
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Alternativ dazu ist das Ventil 15 ein Schaltventil. In diesem Fall ist die Klappe 21 in der Lage, entweder eine Wärmetauschstellung, in der die Klappe 21 den Umlauf von Abgasen in der Umgehungsleitung 13 verhindert, oder eine Umgehungsstellung einzunehmen, in der die Klappe 21 den Umlauf von Abgasen im Wärmetauscher 7 verhindert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Antriebswelle 23 vorteilhafterweise nicht im Abgashauptstrom befindet. Sie ist längs einer Wand des Ventilkörpers 19 zwischen dem Wärmetauscher 7 und der Umgehungsleitung 13 angeordnet. In gleicher Weise ist die Klappe von der Art her eine „Tür“ und keine Drosselklappe. Sie ist über einen Rand an der Antriebswelle befestigt. In der Umgehungsstellung befindet sie sich nicht im Abgashauptstrom. Die Wärmeübertragung von den Abgasen auf die Antriebswelle 23 ist somit begrenzt.
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Vorteilhafterweise umfasst die Baugruppe 1 einen Fluidbehälter 29, der mit der Wärmeübertragungsfluidumlaufseite F in Strömungsverbindung steht und um die Antriebswelle 23 herum angeordnet ist, um die Antriebswelle 23 zu kühlen ( 2 bis 5). Unter Fluidbehälter ist dabei ein Hohlvolumen zu verstehen, das im Inneren einen Kanal bildet, durch den das Wärmeübertragungsfluid strömt. Die Antriebswelle 23 steht mit dem durch den Fluidbehälter strömenden Wärmeübertragungsfluid in thermischem Kontakt, wodurch die Welle gekühlt werden kann.
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Der Fluidbehälter 29 ist normalerweise am Ventilkörper 19 befestigt.
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Wie insbesondere in 5 zu sehen ist, weist der Fluidbehälter 29 eine erste und eine zweite Öffnung 31, 33 auf.
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Bei einer ersten Ausführungsvariante ist die erste Öffnung 31 strömungsmäßig mit dem Wärmeübertragungsfluidauslass 11 verbunden. In diesem Fall ist die zweite Öffnung 33 zum Anschluss an einen nicht gezeigten Wärmerückgewinnungskreis vorgesehen. Die Baugruppe 1 umfasst dann üblicherweise eine Einlassrohrleitung 35, die am Wärmetauscher angebracht ist und mit dem Wärmeübertragungsfluideinlass 9 in Verbindung steht (2). Sie umfasst auch eine Auslassrohrleitung 37, die an der Öffnung 33 angebracht ist (2).
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Der Wärmerückgewinnungskreis dient dazu, einen Teil der Wärmeenergie der Abgase zurückzugewinnen und an einen anderen Kreislauf oder ein anderes Element der Fahrzeugkarosserie abzugeben. Er kann diese Wärmeenergie zum Beispiel an den Heizkreis des Fahrgastraums oder an die Kühlflüssigkeit des Motors etc. abgeben.
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Das Wärmeübertragungsfluid zirkuliert in einer Schleife im Wärmerückgewinnungskreis.
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Alternativ dazu kann die erste Öffnung 31 strömungsmäßig mit dem Wärmeübertragungsfluideinlass 9 verbunden sein. In diesem Fall ist die Einlassrohrleitung 35 mit der zweiten Öffnung 33 verbunden, während die Auslassrohrleitung 37 strömungsmäßig mit dem Wärmeübertragungsfluidauslass 11 verbunden ist.
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Das Ventil 15 umfasst ein Lager 39 zur Führung der Antriebswelle 23 ( 3 und 4). Dieses Lager 39 ist üblicherweise starr an der Außenseite des Ventilkörpers 19 befestigt.
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Vorteilhafterweise ist das Führungslager 39 im Fluidbehälter 29 angeordnet. Somit steht das Führungslager 39 unmittelbar in Kontakt mit dem innerhalb des Fluidbehälters umlaufenden Wärmeübertragungsfluid. Die Antriebswelle 23 erstreckt sich in das Lager 39. Sie steht nicht unmittelbar mit dem im Fluidbehälter 29 umlaufenden Wärmeübertragungsfluid in Kontakt. Ihre Kühlung erfolgt mittels Leitung über das Lager 39 (3).
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Der Fluidbehälter 29 begrenzt im Inneren einen Umlaufkanal 41 zwischen der ersten Öffnung 31 und der zweiten Öffnung 33 und bildet eine Verengung 43 am Führungslager 39 (4). Daher zirkuliert das Wärmeübertragungsfluid zwangsweise um das Lager 39. Der Querschnitt des für das Wärmeübertragungsfluid vorgesehenen Durchgangs längs des Umlaufkanals 41 ist an der Verengung 43 geringer als im übrigen Kanal 41.
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Dies trägt auch dazu bei, die Umlaufgeschwindigkeit des Fluids in Kontakt mit dem Führungslager 39 zu erhöhen und damit die Kühlung dieses Lagers zu verbessern.
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Da das Führungslager 39 auf einer gemäßigten Temperatur gehalten wird, kann es aus Hochleistungswerkstoffen bestehen.
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Beispielsweise umfasst das Führungslager 39 einen Metallträger 45 und einen mit Graphit getränkten Metallgestrickring 47 (3).
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Der Träger 45 weist eine zylindrische Seitenwand 49 auf, die an einem Ende durch einen Sockel 51 verschlossen ist. Der Ring 47 ist innerhalb der zylindrischen Wand 49 angeordnet. Der Sockel 51 ist in einer Öffnung 52 des Ventilkörpers 19 abgedichtet. Er weist eine mittige Bohrung 53 auf. Die Antriebswelle 23 verläuft nacheinander durch die mittige Bohrung 53 und innerhalb des Rings 47.
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Der Fluidbehälter 29 umfasst vorteilhaft eine untere Halbschale 55 und eine obere Halbschale 57, die dichtend mit der unteren Halbschale 55 verbunden ist (3 bis 5).
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Die untere und die obere Halbschale 55, 57 sind zum Beispiel dicht miteinander verschweißt. Insbesondere sind jeweils der Umfangsrand der unteren und der oberen Halbschale 55, 57 gegeneinander abgedichtet.
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Alternativ dazu können die untere und die obere Halbschale 55, 57 abnehmbar aneinander befestigt sein. Dadurch kann der Fluidbehälter zum Auswechseln eines Teiles geöffnet werden. Vorzugsweise ist dann zwischen der unteren und der oberen Halbschale eine Dichtung zwischengefügt. Die obere Halbschale kann in vorteilhafter Weise aus Kunststoff bestehen.
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Die untere Halbschale 55 besteht in der Regel aus einem metallischen Material.
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Die untere Halbschale 55 hat zum Beispiel die Form eines konkaven Napfes. Sie wird üblicherweise mittels Stanzen bzw. Pressen hergestellt.
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Dadurch lassen sich in zweckmäßiger Weise Reliefs wie etwa die Rippe 59 herstellen, die die Verengung 43 begrenzt (4).
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Die untere Halbschale 55 ist starr am Führungslager 39 und am Wärmetauscher 7 befestigt.
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Insbesondere hat sie eine Bohrung, in die das Lager 39 mit einer Presspassung eingreift, üblicherweise mit einem Radius kleiner als 0,1 mm. Die untere Halbschale 55 ist üblicherweise mit dem Lager 39, genauer gesagt mit dem Träger 45 verschweißt.
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Die erste Öffnung 31 ist vorteilhaft in der unteren Halbschale 55 ausgebildet. Sie ist so positioniert, dass sie mit dem Auslass 11 oder gegebenenfalls mit dem Einlass 9 zusammenfällt. Die untere Halbschale 55 ist um den Auslass 11 oder den Einlass 9 gegenüber dem Außenmantel des Wärmetauschers 7 abgedichtet.
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Die obere Halbschale 57 schließt den Fluidbehälter 29.
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Üblicherweise ist die zweite Öffnung 33 in der unteren Halbschale 55 gebildet. Alternativ dazu kann die zweite Öffnung 33 in der oberen Halbschale 57 gebildet sein.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Stellantrieb 25 außerhalb des Fluidbehälters 29 am Fluidbehälter 29 befestigt.
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Üblicherweise ist der Stellantrieb 25 nur am Fluidbehälter 29 angebracht.
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Der Stellantrieb 25 ist zum Beispiel mittels Schrauben 61, die mit der oberen Halbschale 57 verschweißt sind, an der Halbschale 57 befestigt, wie in den 2 und 6 zu sehen ist.
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Somit ist der Stellantrieb 25 an einem durch den Umlauf des Wärmeübertragungsfluids gekühlten Element befestigt. Er kann ohne Zwischenfügung eines Hitzeschildes und auch nahe dem Ventilkörper angebracht sein. Er braucht nicht vom Ventilkörper weg verlagert zu werden, um den Wärmeübergang durch Leitung entlang der Befestigungselemente zu begrenzen.
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Die obere Halbschale 57 weist eine Öffnung 63 auf, in die ein oberes Ende des Führungslagers 39 eingreift. Der Rand der Öffnung 63 ist am Lager 39 abgedichtet.
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Ein Ende 65 der Antriebswelle 23 tritt aus dem Führungslager 39 aus und ragt aus dem Fluidbehälter 29 hervor. Das Ende 65 ist über die kinematische Kette 27 mit dem Stellantrieb 25 verbunden.
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Der Stellantrieb 25 und die kinematische Kette 27 sind von jeder geeigneten Art.
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Beispielsweise kann der Stellantrieb 25 ein Elektromotor sein, der mit einer sich drehenden Abtriebswelle 67 versehen ist (siehe 2). Alternativ dazu kann der Stellantrieb 25 ein Wachsstellantrieb oder eine Formgedächtnisfeder sein.
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Die kinematische Kette 27 ist von jeder geeigneten Art. Bei dem gezeigten Beispiel umfasst die kinematische Kette eine Oldham-Dichtung zur Übertragung eines Drehmoments von der Abtriebswelle 67 zur Antriebswelle 23, während sie die beiden Wellen thermisch voneinander entkoppelt.
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Eine derartige Dichtung ist zum Beispiel in der Patentanmeldung
WO 2010/103249 beschrieben.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst die Baugruppe 1 eine Blende 69, die den Stellantrieb 25 dichtend mit dem Fluidbehälter 29 um die Antriebswelle 23 herum verbindet (2, 6 und 7). Eine solche Blende hat zwei Aufgaben.
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Erstens schützt sie die kinematische Kette 27 und die Antriebswelle 23 vor äußeren Einflüssen, zum Beispiel vor Staub, Sand, Kies und allen Materialien, die beim Fahren des Fahrzeugs eventuell hochgeschleudert werden.
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Aufgrund der Blende 69 kann auch verhindert werden, dass Abgas nach außen austritt. Die Abgase, die möglicherweise entlang der Antriebswelle 23 zwischen der Welle 23 und dem Lager 39 aufsteigen, sind nämlich in dem durch die Blende 69 zwischen dem Stellantrieb 25 und dem Fluidbehälter 29 gebildeten Raum eingeschlossen.
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Beispielsweise kann der Stellantrieb 25 eine äußere Ummantelung 71 aufweisen, wobei die Blende 69 einstückig mit der Ummantelung 71 ausgebildet ist. In der Regel ist sie einteilig mit der Ummantelung 71 ausgebildet.
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Wie insbesondere in den 6 und 7 zu sehen ist, weist die Blende 69 einen freien Rand 73 mit geschlossener Kontur auf, der eine Dichtung 75 trägt, die ebenfalls eine geschlossene Kontur aufweist. Die Dichtung 75 ist zwischen dem freien Rand 73 und dem Fluidbehälter 29 geklemmt, genauer gesagt zwischen dem freien Rand 73 und der oberen Halbschale 57.
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Vorteilhafterweise weist die Blende 69 Ösen 77 auf, die zur Anbringung des Stellantriebs 25 am Fluidbehälter 29 mit den Schrauben 61 zusammenwirken.
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Die Blende 69 grenzt im Inneren ein Volumen ab, in dem die kinematische Kette 27 untergebracht ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die kinematische Kette 27 ein Untersetzungsgetriebe 79, das die Abtriebswelle 67 drehbar mit der Antriebswelle 23 verbindet. Eine solche alternative Ausführungsform ist in den 8 bis 10 gezeigt.
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Das Untersetzungsgetriebe 79 umfasst üblicherweise ein an der Abtriebswelle 67 befestigtes Ritzel 81 und ein an der Antriebswelle 23 befestigtes Zahnrad 83. Das Zahnrad 83 kämmt direkt mit dem Ritzel 81 oder wird alternativ vom Ritzel 81 über ein oder mehrere andere Zahnräder gedreht.
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Ein solches Untersetzungsgetriebe 79 kann aufgrund der niedrigen Temperatur, der die kinematische Kette ausgesetzt ist, zum Einsatz kommen. Bei hohen Temperaturen ist es nicht möglich, ein Untersetzungsgetriebe mit Ritzel und Zahnrad zu verwenden, ohne dass das Risiko eines temperaturbedingten Qualitätsverlusts besteht.
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Vorteilhafterweise ist das Untersetzungsgetriebe 79 in einem Hohlraum 85 angeordnet, der zwischen dem Fluidbehälter 29 und einer Abdeckung 87 gebildet ist, die dichtend am Fluidbehälter 29 befestigt ist.
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Beispielsweise hat die obere Halbschale 57 einen vertieften Bereich 89, in dem das Untersetzungsgetriebe 79 untergebracht ist. Die Abdeckung 87 ist ein konkaves Stanzteil, das den vertieften Bereich 89 schließt. In diesem Fall bestehen die obere Halbschale 57 sowie die Abdeckung 87 aus Metall. Die Abdeckung 87 wird dann über ihren Umfangsrand an der oberen Halbschale 57 verschlossen.
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Die Abdeckung 87 weist vorteilhafterweise eine Öffnung 91 auf, durch die hindurch das Untersetzungsgetriebe 79 mit der Abtriebswelle 67 des Stellantriebs verbunden ist (10). Der Stellantrieb ist bezüglich der Abdeckung 87 um die Öffnung 91 herum abgedichtet (8 und 10). Üblicherweise umfasst der Außenmantel 71 des Stellantriebs eine Dichtung, die eine geschlossene Kontur hat und die Abtriebswelle 67 umgibt. Die Dichtung 93 ist zwischen dem Außenmantel 71 und der Abdeckung 87 geklemmt und um die Öffnung 91 herum angeordnet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Abdeckung 87 in diesem Fall die gleiche Funktion wie die Blende 69 hat. Sie schützt die kinematische Kette vor äußeren Einflüssen und verhindert, dass Abgase zur Außenseite der Baugruppe 1 hin austreten.
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Die Funktionsweise der Baugruppe 1 wird nun beschrieben.
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Der Stellantrieb 25 dreht die Antriebswelle 23 über die kinematische Kette 27. Dadurch kann die Klappe 21 relativ zum Ventilkörper 19 bewegt werden, um die Mengen der Abgase einzustellen, die durch den Wärmetauscher 7 und durch die Umgehungsleitung 13 strömen.
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Das Wärmeübertragungsfluid läuft kontinuierlich im Inneren des Wärmetauschers 7 um. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher bzw. nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher durchläuft es den Fluidbehälter 29. Aufgrund der Gestalt des Umlaufkanals 41 ist das Wärmeübertragungsfluid gezwungen, um das Führungslager 39 herum zu zirkulieren.
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Die in der Baugruppe 1 umlaufenden Abgase geben einen Teil ihrer Wärmeenergie an die Antriebswelle 23 ab. Diese Wärmeenergie steigt mittels Leitung entlang der Antriebswelle 23 und durch das Führungslager 39 auf. Sie wird vom innerhalb des Fluidbehälters 29 umlaufenden Wärmeübertragungsfluid abgeführt.
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Da das Ventil nach Art einer Tür ausgebildet ist, verschwenkt die Klappe und befindet sich in der Umgehungsstellung nicht im vollen Strom. Auch die Antriebswelle liegt nicht im vollen Strom. Überdies ist die Masse der Antriebswelle sehr begrenzt, beispielsweise auf die Größenordnung von 7 Gramm.
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Diese verschiedenen Elemente tragen dazu bei, die von den Abgasen auf die Antriebswelle übertragene Wärmemenge zu begrenzen.
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Außerdem ist die Austauschdichte zwischen dem Gas und der Klappe bzw. der Antriebswelle erheblich geringer als die Austauschdichte zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Lager. Die Austauschdichte für das Wärmeübertragungsfluid beträgt 2000 W/m2 · K, verglichen mit 400 W/m2 · K für die Abgase.
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Weiterhin ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem das Führungslager gebildet ist, viel höher als die Wärmeleitfähigkeit der Antriebswelle (40 W/m2 · K gegenüber 20 W/m2 · K).
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Diese verschiedenen Faktoren tragen dazu bei, die Temperatur der Antriebswelle, die auf weniger als 300°C gehalten werden kann, zu begrenzen, und zwar üblicherweise in der Größenordnung von 200°C.
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Es wird nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Nur die Punkte, durch die sich diese zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform unterscheidet, werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Identische Elemente bzw. die gleiche Funktion werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist der Stellantrieb 25 innerhalb des Fluidbehälters 29 untergebracht.
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Das Führungslager 39 und die kinematische Kette 27 sind ebenfalls innerhalb des Fluidbehälters 29 positioniert.
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Der Stellantrieb 25 ist von jeder geeigneten Art.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Stellantrieb 25 eine Formgedächtnisfeder 95 umfassen (11).
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Eine solche Formgedächtnisfeder ist beispielsweise in der Patentanmeldung
FR 1660130 beschrieben.
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Üblicherweise umfasst ein solcher Stellantrieb eine Stange 97, auf die ein Ring 99 geschoben ist, der längs der Stange frei gleiten kann. Die Formgedächtnisfeder 95 ist eine Schraubenfeder, deren erstes Ende an der Stange 97 befestigt ist und deren zweites Ende am Ring 99 befestigt ist.
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Bei einer vorbestimmten Temperatur ist die Formgedächtnisfeder 95 starr. Jenseits der vorbestimmten Temperatur wird die Formgedächtnisfeder 95 elastisch, wobei ihre Länge sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
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Die kinematische Kette 27 umfasst einen Hebel 101 mit einem ersten Ende 103, das starr an der Antriebswelle 23 befestigt ist, und einem zweiten Ende 105, das über eine Schwenkverbindung mit dem Ring 99 verbunden ist. Durch die Verschiebung des Ringes 99 längs der Stange 97 unter dem Einfluss von Temperaturänderungen dreht sich der Hebel 101 relativ zum Ventilkörper 19.
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Vorteilhafterweise ist zwischen der Antriebswelle 23 und dem Führungslager 39 eine Dichtung 107 eingefügt. Diese Dichtung trennt die Abgase vom Wärmeübertragungsfluid. Insbesondere ermöglicht sie, dass die Abgase nicht entlang der Antriebswelle 23 aufsteigen und in den Fluidbehälter 29 eindringen.
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Die Dichtung 107 ist eine Dichtung mit geschlossener Kontur, zum Beispiel ein O-Ring. Sie besteht aus einem elastischen Material wie etwa Gummi, EPDM, Silikon oder einem anderen geeigneten Material.
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Um sicherzustellen, dass die Temperatur der Dichtung unterhalb ihrer maximalen Betriebstemperatur bleibt, hat das Führungslager 39 Lamellen 109, die mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt stehen.
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Das Lager 39 umfasst vorzugsweise einen zylindrischen Mittelabschnitt 111, dessen unteres Ende in die Öffnung 52 des Ventilkörpers eingreift. Dieses Ende ist gegen den Ventilkörper abgedichtet. Die Antriebswelle 23 erstreckt sich im zylindrischen Mittelabschnitt 111.
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Die Dichtung 107 ist in einer am Umfang der Antriebswelle 23 ausgebildeten Nut angeordnet und liegt an einer radial inneren Oberfläche des zylindrischen Mittelabschnitts 111 an. Die Lamellen 109 sind an der radial äußeren Oberfläche des zylindrischen Mittelabschnitts 111 gebildet.
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Die Höhe des Lagers 39, die Abmessungen der Lamellen 109 und die Anzahl der Lamellen 109 sind in Abhängigkeit von der von den Abgasen zur Antriebswelle 23 übertragenen Wärmemenge ausgewählt, wobei diese Menge zum Wärmeübertragungsfluid zu übertragen ist.
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Darüber hinaus ist zur Verringerung der durch Wärmeleitung übertragenen Wärmemenge die Antriebswelle 23 hohl. Sie umfasst einen hohlzylindrischen Mittelabschnitt 113, der an seinen beiden entgegengesetzten Enden von massiven Teilen 115 verschlossen ist. Die Nut, die die Dichtung 107 aufnimmt, ist in einem der Endabschnitte 115 ausgespart.
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In 11 weisen die Umgehungsleitung 13 und der Wärmetauscher 7 Formen auf, die von denen der Leitung 13 und des Wärmetauschers 7 aus den 2 bis 10 verschieden sind. Alternativ dazu können sie die gleichen Formen aufweisen.
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Gemäß einer Variante der zweiten Ausführungsform ist der Stellantrieb 25 ein Wachsstellantrieb (12).
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Ein solcher Stellantrieb ist bekannt und wird hier nicht ausführlich beschrieben.
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Dieser Stellantrieb 25 umfasst eine nicht gezeigte Wachspatrone. Das Volumen des Wachses ändert sich entsprechend der Temperatur. Der Stellantrieb 25 umfasst auch einen Hebel 121, der sich unter der Wirkung von Volumenänderungen des Wachses in Längsrichtung bewegt. Der Hebel 121 ist über ein Verbindungsglied 123 mit dem Ende der Antriebswelle 23 verbunden.
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Eine Rückstellfeder 125 holt den Hebel 121 zu einer Ruhestellung hin in Längsrichtung zurück.
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Die Antriebswelle 23 und das Führungslager 39 sind wie oben mit Bezug auf 11 beschrieben ausgebildet.
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Bei dieser Ausführungsform sind die untere und die obere Halbschale 55, 57 in vorteilhafter Weise lösbar aneinander befestigt, um ein Auswechseln oder eine Wartung des Stellantriebs 25 zu ermöglichen.
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Sie sind beispielsweise über Schrauben aneinander befestigt, wobei eine Dichtung 127 zwischengefügt ist.
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Die obere Halbschale besteht vorzugsweise aus Kunststoff.
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Gemäß einer in 13 schematisch gezeigten alternativen Ausführungsform umfasst der Fluidbehälter 29 eine dritte und eine vierte Öffnung 151, 153. Wenn die erste Öffnung 31 mit dem Wärmeübertragungsfluidauslass 11 in Verbindung steht, dann steht die dritte Öffnung 151 mit dem Wärmeübertragungsfluideinlass 9 in Strömungsverbindung.
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Die vierte Öffnung 153 steht über den Fluidbehälter 29 mit der dritten Öffnung 151 in Strömungsverbindung. Die vierte Öffnung 153 ist dann über die Einlassrohrleitung 35 an den Wärmerückgewinnungskreislauf angeschlossen.
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Umgekehrt steht dann, wenn die erste Öffnung 31 mit dem Wärmeübertragungsfluideinlass 9 in Verbindung steht, die dritte Öffnung 151 mit dem Wärmeübertragungsfluidauslass 11 in Verbindung. Die vierte Öffnung 153 ist über die Auslassrohrleitung 37 an den Wärmerückgewinnungskreislauf angeschlossen.
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Der Fluidbehälter 29 ist damit so eingerichtet, dass er im Inneren zwei Umlaufkanäle begrenzt, d.h. einen Umlaufkanal zwischen der ersten und der zweiten Öffnung 31, 33 und einen weiteren Umlaufkanal zwischen der dritten und der vierten Öffnung 151, 153.
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Diese Ausführungsform ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher 7 eine geringe Größe hat. In diesem Fall deckt der Fluidbehälter 29 im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Wärmetauschers 7 ab. Die Rohrleitungen 35 und 37 sind nicht unmittelbar mit dem Wärmetauscher 7 verschweißt, sondern mit dem Fluidbehälter 29, der viel leichter zugänglich ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Antriebswelle 23 möglicherweise nicht über das Führungslager von dem Wärmeübertragungsfluid gekühlt wird, sondern unmittelbar mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt ist.
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Die Erfindung bietet viele Vorteile.
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Sie schützt die kinematische Kette 27 und die Antriebswelle 23 vollständig vor äußeren Einflüssen. Außerdem macht sie das Ventil gasdicht und verhindert das Entweichen von Abgasen nach außen, wodurch verhindert wird, dass Sauerstoff in den Abgaskanal gelangt, was für den Betrieb bestimmter Abgasreinigungsvorrichtungen nachteilig sein könnte.
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Durch die Erfindung lässt sich das Führungslager 39 vor Wärme schützen, und somit können für die Gestaltung dieses Führungslagers kostengünstigere Materialien bzw. effizientere Materialien verwendet werden.
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Sie schützt ferner die kinematische Kette 27 vor Wärme.
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Durch die Erfindung ist es auch möglich, sämtliche Ketten von der Position des Führungslagers und der Antriebswelle aus einzurichten. Damit werden komplexe Bauformen vermieden, während die Seitenketten berücksichtigt werden.
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Durch die Erfindung lässt sich ferner das Verschweißen der Einlass- und/oder Auslassrohrleitung mit dem Tauscher vereinfachen, da sich das Auslassrohr und/oder das Einlassrohr in einem Abstand am Fluidbehälter befinden.
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Die Erfindung ermöglicht es, die elektronischen Komponenten und den Motor in dem Fall, in dem der Stellantrieb ein Elektromotor ist, vor Wärme zu schützen.
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Die Baugröße der Baugruppe ist verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2966873 [0003]
- WO 2010/103249 [0074]
- FR 1660130 [0103]
