DE102018205385A1

DE102018205385A1 - Ventilklappenanordnung für ein Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil

Info

Publication number: DE102018205385A1
Application number: DE102018205385.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuske; Christian Winge Vigild
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-04-11
Also published as: DE102018205385B4

Abstract

Es wird eine Ventilklappenanordnung (20) für ein Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil (50) beschrieben, welche eine Klappenwelle (21) mit einer Rotationachse (22) umfasst, an welcher eine Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und eine Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) so angeordnet sind, dass sie um die Rotationachse (22) drehbar angeordnet sind und der durch Rotation um die Rotationachse (22) erzeugte Winkel oder Abstand zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) veränderbar ist. Die Luftzufuhr-Ventilklappe (23) umfasst eine Öffnung (28), die Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) eine Innenseite (31), die der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) zugewandt angeordnet ist, und eine Außenseite (32) umfasst, wobei an der Innenseite (31) ein Strömungs-Steuerungskörper (33) angeordnet ist, der so geformt ist, dass er beim Zusammenführen der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) zumindest teilweise durch die Öffnung (28) in der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) hindurchragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilklappenanordnung für ein drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil. Die Erfindung betrifft zudem ein drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil, eine Abgasrückführungsvorrichtung und ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug.
Verbrennungsmaschinen mit Abgasrückführung im Niederdruckbereich, also beispielsweise stromabwärts eines Abgasturboladers, weisen üblicherweise sogenannte Kombi-Ventile auf. Dabei handelt es sich um einen einfachen Aktuator bzw. ein Stellglied, mit welchem einerseits die Durchflussmenge des zurückgeführten Abgases und andererseits die Durchflussmenge der über einen Einlass zugeführten Luft gesteuert werden kann, insbesondere geregelt werden kann. Dabei ist es insbesondere auf der Seite des Lufteinlasses erforderlich, den Fluss bzw. die Durchflussmenge auch für kleine Werte präzise zu steuern.
Üblicherweise ist das Ventil auf der Einlassseite als Platte ausgestaltet, welche kontinuierlich in Richtung eines Ventilsitzes bewegt werden kann. Der Luftstrom wird umso weiter eingeschränkt, je näher die Platte dem Ventilsitz kommt. Dabei kann der Ventilsitz die Form eines Ringes und damit einen bestimmten Umfang aufweisen. Die Platte muss jedoch nicht kreisrund sein, sondern kann eine beliebige Form aufweisen. Üblicherweise sind diese zwar rund, allerdings gibt es Beispiele mit einer im weitesten Sinn rechteckigen Form mit einem großen Radius in dessen Ecken. Je weiter sich die Ventilplatte der Dichtung bzw. dem Ventilsitz nähert, desto schmaler wird der Spalt zwischen der Platte und dem Ventilsitz. Bei einer vorgegebenen Ventilgröße hat es sich dabei als schwierig herausgestellt, die Position, insbesondere den Abstand, der Platte in Bezug auf den Ventilsitz so präzise zu steuern, dass den Anforderungen an die Genauigkeit der Steuerung des Lufteinlassflusses ausreichend genügt wird.
Das Steuerelement zur Steuerung des Ventildurchflusses von derzeit bekannten Ventilen besteht normalerweise aus einer rotierenden bzw. drehbaren Ventilwelle, auf welcher eine Einlassluft-Steuerplatte befestigt ist. Ein Stempel mit einer zweiten Platte ist an dieser Platte befestigt. Die Funktion der zweiten Platte besteht darin, den Abgasrückführungseinlass zu schließen und den Durchfluss durch den Abgasrückführungseinlass zu steuern, wenn dieser geöffnet ist. Da sowohl der Lufteinlass als auch das Abgasrückführungssteuerelement an demselben Schaft bzw. derselben Welle angeordnet sind, kann mittels eines einfachen Aktuators bzw. Stellglieds sowohl der Lufteinlass als auch der Abgasrückführungsstrom gesteuert werden.
In dem Dokument DE 10 2015 110 984 A1 wird eine Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventilanordnung beschrieben. Diese umfasst eine Registerklappe, eine Kleinmengenklappe, die einen Schließkörper aufweist, und eine Großmengenklappe. Die Großmengenklappe weist eine durch den Schließkörper verschließbare Kleinmengenöffnung auf. Die Kleinmengenklappe ist mittels eines Verbindungselements bewegbar mit der Großmengenklappe verbunden. Ein Mitnehmer begrenzt den Öffnungsgrad der Großmengenklappe zur Kleinmengenklappe.
In dem Dokument EP 3 012 445 A1 wird eine Regelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine beschrieben, welche ein oben beschriebenes Ventil umfasst. Zudem schließt eine durch einen ersten Ventilsitz aufgespannte Ebene zur Mittelachse des Ansaugkanals einen Winkel von 70° bis 80° ein.
Vor dem beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Ventilklappenanordnung, ein vorteilhaftes Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil, eine vorteilhafte Abgasrückführungsvorrichtung und ein vorteilhaftes Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, wodurch insbesondere eine verbesserte Steuerung im Bereich kleiner Durchstrommengen bzw. Durchflussmengen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Ventilklappenanordnung gemäß Patentanspruch 1, ein Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil gemäß Patentanspruch 11, eine Abgasrückführungsvorrichtung gemäß Anspruch 12 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Ventilklappenanordnung für ein Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil umfasst eine Klappenwelle mit einer Rotationsachse. An der Rotationsachse sind eine Luftzufuhr-Ventilklappe und eine Abgaszufuhr-Ventilklappe so angeordnet, dass sie um die Rotationsachse drehbar angeordnet bzw. drehbar gelagert sind. Dabei ist der durch Rotation um die Rotationsachse erzeugte Winkel und korrespondierend dazu der durch Rotation erzeugte Abstand zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe und der Abgaszufuhr-Ventilklappe veränderbar. Die Luftzufuhr-Ventilklappe umfasst eine Öffnung. Die Abgaszufuhr-Ventilklappe umfasst eine Innenseite, die der Luftzufuhr-Ventilklappe zugewandt angeordnet ist. An der Innenseite der Abgaszufuhr-Ventilklappe ist ein Strömungs-Steuerungskörper angeordnet. Der Strömungs-Steuerungskörper ist so geformt, dass er beim Zusammenführen der Luftzufuhr-Ventilklappe und der Abgaszufuhr-Ventilklappe zumindest teilweise durch die Öffnung in der Luftzufuhr-Ventilklappe hindurchragt bzw. hindurchtritt.
Diese Ventilklappenanordnung hat den Vorteil, dass durch den Strömungs-Steuerungskörper in Abhängigkeit von dem Ausmaß, in welchem dieser durch die Öffnung in der Luftzufuhr-Ventilklappe hindurch ragt und diese damit teilweise verschließt und darüber hinaus in Abhängigkeit von der Form des Strömungs-Steuerungskörpers eine präzisere Steuerung des Luftmassendurchflusses durch die Öffnung in der Luftzufuhr-Ventilklappe möglich ist als dies im Stand der Technik geschrieben ist. Während in der in dem Dokument DE 10 2015 110 984 A1 vorgeschlagenen Lösung die Kleinmengenöffnung bei einer Öffnung des Schließkörpers in Bezug auf ihren gesamten Querschnitt für einen Luftdurchfluss geöffnet ist, ist durch den durch die Öffnung hindurchragenden Strömungs-Steuerungskörper im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine auch nur teilweise Öffnung der Öffnung in der Luftzufuhr-Ventilklappe im Hinblick auf den Strömungsquerschnitt möglich. Dies erlaubt eine deutlich präzisere Steuerung des Durchflussquerschnitts und damit des Luftmassendurchflusses.
In einer bevorzugten Variante weist der Strömungs-Steuerungskörper eine Mittelachse auf, die senkrecht zur Innenseite der Abgaszufuhr-Ventilklappe verläuft bzw. parallel zu einer Flächennormale der Innenseite der Abgaszufuhr-Ventilklappe verläuft und mindestens einen Teilbereich umfasst, der die Form eines Kegels aufweist. Die Ausgestaltung des Strömungs-Steuerungskörpers in Form eines Kegels hat den Vorteil, dass der Strömungsquerschnitt der Öffnung in der Luftzufuhr-Ventilklappe kontinuierlich vergrößert oder verkleinert werden kann, je nachdem inwieweit der Kegel, insbesondere die Kegelspitze, durch die Öffnung hindurchragt. Bei einem teilweisen Hindurchragen des Kegels durch die Öffnung weist die für den Luftmassenstrom zur Verfügung stehende Öffnung die Form eines Ringes auf. Dabei richtet sich der Querschnitt des Rings bzw. die zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche danach, inwieweit der Kegel die Öffnung verschließt.
In einer weiteren Variante kann der Strömungs-Steuerungskörper einen ersten Bereich aufweisen, der die Form eines Kegels mit einer ersten Kegelverjüngung aufweist. Zusätzlich kann der Strömungs-Steuerungskörper einen zweiten Bereich umfassen, der die Form eines Kegels mit einer zweiten Kegelverjüngung aufweist. Die erste Kegelverjüngung und die zweite Kegelverjüngung können voneinander abweichen oder gleich sein, also die gleiche Steigung aufweisen. Insbesondere kann zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ein Zwischenbereich angeordnet sein, der beispielsweise die Form eines Zylinders aufweist.
Insgesamt kann durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des Strömungs-Steuerungskörpers erreicht werden, dass der für die Strömung zur Verfügung stehende Querschnitt der Öffnung in einer beliebigen gewünschten Form beeinflusst werden kann. Dazu kann der Strömungs-Steuerungskörper insbesondere gestuft ausgestaltet sein. Er kann einen in Längsrichtung bzw. in Richtung der Mittelachse kontinuierlich zu- und/oder abnehmenden Radius oder Umfang aufweisen. Beispielsweise kann er eine in Richtung der Mittelachse gewölbte Form aufweisen. Der Strömungs-Steuerungskörper kann auch eine nicht rotationssymetrische Form aufweisen. In einer vorteilhaften Variante weist der Strömungs-Steuerungskörper eine gekrümmte Mittellinie auf, die entlang einer Kreisbahn der Bewegung des Strömungs-Steuerungskörpers verläuft.
In einer weiteren Varianten kann der Strömungs-Steuerungskörper eine Mittelachse aufweisen, die senkrecht zu der Oberfläche der Innenseite der Abgaszufuhr-Ventilklappe bzw. parallel zu einer Flächennormale der Abgaszufuhr-Ventilklappe verläuft und mindestens einen Bereich umfasst, der die Form eines Zylinders aufweist, und/oder der Strömungs-Steuerungskörper mindestens einen Bereich umfasst, der einen Radius in Bezug auf die Mittelachse aufweist, der in Richtung der Luftzufuhr-Ventilklappe bzw. mit zunehmendem Abstand von der Innenseite der Abgaszufuhrventilklappe abnimmt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Strömungs-Steuerungskörper mindestens einen Bereich umfassen, der einen Radius in Bezug auf die Mittelachse aufweist, der in Richtung der Luftzufuhr-Ventilklappe bzw. mit zunehmendem Abstand von der Innenseite der Abgaszufuhr-Ventilklappe zunimmt. Die genannten geometrischen Ausgestaltungen des Strömungs-Steuerungskörpers haben den Vorteil, dass eine individuelle Steuerung, insbesondere Regelung, des Luftmassenstroms durch die Öffnung der Luftzufuhr-Ventilklappe möglich ist.
Die Luftzufuhr-Ventilklappe und die Abgaszufuhr-Ventilklappe können durch eine Feder miteinander verbunden sein. Bei der Feder kann es sich zum Beispiel um eine Spiralfeder handeln. Die Feder kann zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe und der Abgaszufuhr-Ventilklappe angeordnet sein. Durch die Anordnung und die Ausgestaltung der Feder kann der Abstand bzw. der Winkel zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe und der Abgaszufuhr-Ventilklappe bestimmt und gesteuert werden. Insbesondere können die Ventilklappen durch die Feder auseinandergedrückt und/oder zueinander gezogen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Halterung an der Abgaszufuhr-Ventilklappe und an der Luftzufuhr-Ventilklappe angeordnet, insbesondere befestigt, die dazu ausgelegt ist, den Abstand bzw. den Winkel zwischen der Abgaszufuhr-Ventilklappe und der Luftzufuhr-Ventilklappe einzustellen, insbesondere zu begrenzen. Mittels der Halterung kann insbesondere ein maximaler Winkel zwischen den Ventilklappen bzw. ein maximaler Abstand zwischen den Ventilklappen festgelegt werden. Die Halterung kann flexibel ausgestaltet sein, zum Beispiel in Form einer Feder. Sie kann aber auch zumindest teilweise steif ausgestaltet sein. In dieser Variante kann die Halterung auch lediglich an der Abgaszufuhr-Ventilklappe oder an der Luftzufuhr-Ventilklappe befestigt sein. Durch eine geeignete geometrische Ausgestaltung kann realisiert werden, dass die Haltefunktion bei einem festgelegten Abstand bzw. einem festgelegten Winkel zum Tragen kommt.
In einer bevorzugten Variante ist die Halterung an dem Strömungs-Steuerungskörper angeordnet, zum Beispiel befestigt. Weiterhin kann die Luftzufuhr-Ventilklappe eine der Abgaszufuhr-Ventilklappe zugewandte Innenseite bzw. Innenoberfläche und eine der Abgaszufuhr-Ventilklappe abgewandte Außenseite bzw. Außenoberfläche umfassen. Die Halterung kann an der Innenseite der Luftzufuhr-Ventilklappe angeordnet, insbesondere befestigt, sein oder an der Außenseite der Luftzufuhr-Ventilklappe angeordnet, insbesondere befestigt sein. In einer vorteilhaften Variante ragt die Halterung durch die Öffnung in der Luftzufuhr-Ventilklappe hindurch bzw. ist durch diese Öffnung hindurchgeführt. Dadurch wird insbesondere realisiert, dass der Strömungs-Steuerungskörper zentral durch die Öffnung hindurchgeführt wird.
In einer weiteren Variante umfasst die Abgaszufuhr-Ventilklappe eine der Luftzufuhr-Ventilklappe abgewandte Außenseite bzw. Außenoberfläche oder Unterseite. An der Außenseite der Abgaszufuhr-Ventilklappe kann ein Dichtelement zum Schließen einer Abgaseinlassöffnung angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil umfasst eine Lufteinlassöffnung, eine Abgaseinlassöffnung und eine Auslassöffnung. Das erfindungsgemäße Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil umfasst zudem eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Ventilklappenanordnung. Die Ventilklappenanordnung ist dabei so angeordnet, dass die Luftzufuhr-Ventilklappe zum Schließen der Lufteinlassöffnung ausgelegt ist und die Abgaszufuhr-Ventilklappe zum Schließen der Abgaseinlassöffnung ausgelegt ist. Das erfindungsgemäße Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil hat die oben bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ventilklappenanordnung beschriebenen Merkmale und Vorteile.
Die erfindungsgemäße Abgasrückführungsvorrichtung umfasst ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil. Die Abgasrückführungsvorrichtung hat die oben bereits genannten Vorteile. Sie kann insbesondere eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu ausgelegt ist, den Winkel zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe und der Abgaszufuhr-Ventilklappe zu steuern, insbesondere zu regeln. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Position der Luftzufuhr-Ventilklappe in Bezug auf die Einlassöffnung und/oder die Position der Abgaszufuhr-Ventilklappe in Bezug auf die Abgaseinlassöffnung zu steuern, insbesondere zu regeln.
Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Abgasrückführungsvorrichtung. Sie hat die bereits genannten Vorteile. Bei der Verbrennungsmaschine kann es sich um eine stationäre Verbrennungsmaschine, zum Beispiel einen Motor oder Generator handeln. Es kann sich aber auch um einen Fahrzeugmotor oder einen Schiffsmotor handeln.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine mit einer Abgasrückführungsvorrichtung. Es hat die bereits genannten Vorteile. Bei dem Fahrzeug kann es sich zum Beispiel um ein Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad handeln. Bei dem Fahrzeug kann es sich aber auch um ein Schiff handeln.
Zusammenfassend hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass durch den Durchmesser der Öffnung, die Form und die Anordnung des Strömungs-Steuerungskörpers im Rahmen der Ventilklappenanordnung der Massenstrom insbesondere für geringe Massenströme präziser gesteuert und geregelt werden kann, da nur ein Ringspalt freigegeben wird, dessen Querschnittsfläche sehr fein justiert werden kann. Grundsätzlich kann der Strömungs-Steuerungskörper auch andere Formen als die bevorzugte Kegelform aufweisen, beispielsweise abschnittsweise unterschiedlich geformt sein, wie insbesondere zunächst kegelförmig mit einer ersten Steigung bzw. Kegelverjüngung, danach zylindrisch, um dann wiederum kegelförmig die gleiche oder eine abweichende Steigung bzw. Kegelverjüngung aufzuweisen. Es sind rotationssymmetrische, aber auch in Längsrichtung bzw. in Richtung der Mittelachse gewölbte Formen denkbar. Die Form kann sich insbesondere nach einer geforderten Regelkennlinie richten bzw. danach ausgelegt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

1 zeigt schematisch ein bekanntes Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil in einer geschnittenen Ansicht.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ventilklappenanordnung in einer geschnittenen Ansicht.
3 zeigt schematisch alternative Formen des Strömungs-Steuerungskörpers in einer geschnittenen Ansicht.
4 zeigt schematisch eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Ventilklappenanordnung in einer geschnittenen Ansicht.
5 zeigt schematisch eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Ventilklappenanordnung in einer geschnittenen Ansicht.
6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil in einer geschnittenen Ansicht.
7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasrückführungsvorrichtung.
8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.

Die 1 zeigt schematisch ein bekanntes Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil. Das Ventil 1 weist eine Lufteinlassöffnung 2, eine Abgaseinlassöffnung 3 und eine Auslassöffnung 4 auf, die Strömungsrichtung der Luft ist durch einen Pfeil 5 gekennzeichnet, die Strömungsrichtung des Abgases ist durch einen Pfeil 6 gekennzeichnet und die Strömungsrichtung des Abgas-Luft-Gemisches, welches das Ventil 1 durch die Auslassöffnung 4 verlässt ist durch einen Pfeil 7 gekennzeichnet.
Das Ventil 1 umfasst eine Ventilklappenanordnung. Diese ist mit der Bezugsziffer 8 in einer Position gezeigt, in welcher die Abgaseinlassöffnung 3 geschlossen ist. Die Ventilklappenanordnung ist mit der Bezugsziffer 9 in einer durch den Pfeil 10 gekennzeichneten Richtung gedreht worden und verschließt in dieser Position die Lufteinlassöffnung 2.
Die Ventilklappenanordnung 8, 9 umfasst eine Ventilwelle 11, an der eine Luftzufuhr-Ventilklappe 12 drehbar angeordnet bzw. drehbar gelagert ist. Die Luftzufuhr-Ventilklappe 12 umfasst eine Oberseite 13 und eine Unterseite 14. Die Oberseite 13 ist dazu ausgelegt, beim Schließen der Lufteinlassöffnung 2 an einem Ventilsitz 16, der an der Lufteinlassöffnung 2 angeordnet ist, anzuliegen. An der Unterseite 14 ist, beispielsweise mittels eines Stempels oder Bügels oder einer Halterung fest mit der Luftzufuhr-Ventilklappe 12 verbunden eine Abgaszufuhr-Ventilklappe 15 angeordnet. Die Abgaszufuhr-Ventilklappe 15 ist dazu ausgelegt, bei einer entsprechenden Drehung der Ventilklappenanordnung 8 um die Ventilwelle 11 die Abgaseinlassöffnung 3 zu verschließen.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ventilklappenanordnung in einer geschnittenen Ansicht. Die erfindungsgemäße Ventilklappenanordnung 20 umfasst eine Klappenwelle 21 mit einer Rotationsachse 22. Sie umfasst zudem eine Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und eine Abgaszufuhr-Ventilklappe 24. Die Luftzufuhr-Ventilklappe 23 weist ein distales Ende 25 in Bezug auf die Rotationsachse 22 auf. Die Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 weist ein distales Ende 26 in Bezug auf die Rotationsachse 22 auf.
Die Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und die Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 sind so angeordnet, dass sie um die Rotationsachse 22 drehbar angeordnet bzw. gelagert sind, insbesondere zueinander drehbar gelagert sind. Dabei ist der durch eine Rotation um die Rotationsachse 22 erzeugte Winkel α bzw. der an einer bestimmten Position, zum Beispiel an den distalen Enden 25, 26 gemessene Abstand 27 zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 veränderbar.
Die Luftzufuhr-Ventilklappe 23 umfasst eine Öffnung 28. Die Luftzufuhr-Ventilklappe 23 weist eine der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 abgewandte Außenseite bzw. Außenoberfläche 29 und eine der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 zugewandte Innenseite bzw. Innenoberfläche 30 auf. Die Abgaszufuhr-Ventilklappe weist eine der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 zugewandte Innenseite bzw.
Innenoberfläche 31 und eine der Luftzufuhr-Ventilklappe abgewandte Außenseite bzw. Außenoberfläche 32 auf. An der Innenseite 31 der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 ist ein Strömungs-Steuerungskörper 33 angeordnet. Dieser ist so geformt, dass er beim Zusammenführen bzw. Aufeinander-zu-Bewegen der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24, also mit anderen Worten beim Verkleinern des Winkels α bzw. des Abstandes 27, zumindest teilweise durch die Öffnung 28 hindurchragt bzw. hindurchtritt. Der Strömungs-Steuerungskörper 33 kann dabei fest, zum Beispiel mittels einer Halterung 19, an der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 befestigt sein.
In der gezeigten Variante ist der Strömungs-Steuerungskörper 33 in der Form eines Kegels gestaltet. Alternative Ausgestaltungen werden anhand der 3 erläutert.
In der gezeigten Variante ist an der Außenseite 32 der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 ein Ventilelement 34 zum Schließen einer Abgaseinlassöffnung angeordnet.
Zwischen der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 und der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 ist eine Feder 35 angeordnet. In der gezeigten Variante ist die Feder 35 als Spiralfeder ausgestaltet. Andere Gestaltungen sind selbstverständlich möglich. In der gezeigten Variante ist die Feder 35 an der Innenseite 30 der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und an der Innenseite 31 der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 befestigt. Andere Befestigungsmöglichkeiten sind ebenfalls möglich. Die Feder 35 dient zur Steuerung, insbesondere Regelung, des Abstandes 27 bzw. des Winkels α zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24.
Zum Einstellen des Abstandes 27 bzw. des Winkels α ist in der gezeigten Variante eine Halterung 36 vorgesehen. Die Halterung 36 ist dabei an dem Strömungs-Steuerungskörper 33 angeordnet, vorliegend an der Kegelspitze des Strömungs-Steuerungskörpers 33. Die Halterung 36 ragt in der gezeigten Variante durch die Öffnung 28 hindurch und liegt an der Außenseite 29 der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 an. Andere Ausgestaltungen oder Befestigungen sind selbstverständlich möglich.
Der Durchmesser bzw. die Form der Öffnung 28 und die Form des Strömungs-Steuerungskörpers 33 sind so ausgestaltet, dass der Strömungs-Steuerungskörper 33 beim Zusammenführen der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 und der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 zumindest teilweise durch die Öffnung 28 hindurchragt, mit anderen Worten also an der Außenseite 29 der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 hervorsteht bzw. über diese hinausragt.
Der in der 3 gezeigte Strömungs-Steuerungskörper 33 weist eine Mittelachse 37 auf, die senkrecht zur Innenseite 31 bzw. parallel zu einer Oberflächennormale 18 der Innenseite 31 der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 angeordnet ist.
In der 3 sind alternative Formen des Strömungs-Steuerungskörpers 33 gezeigt. Die gezeigten Strömungs-Steuerungskörper 33a, 33b, 33c und 33d umfassen jeweils eine Mittelachse 37. Sie sind jeweils rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 37 gestaltet. Eine nicht-rotationssymmetrische Gestaltung ist ebenfalls möglich.
Die Strömungs-Steuerungskörper 33a und 33b weisen jeweils die Form eines Kegels auf. Dabei weist der Strömungs-Steuerungskörper 33a eine geringere Kegelverjüngung auf als der Strömungs-Steuerungskörper 33b. Eine geringere Verjüngung bewirkt eine geringere Veränderung des Massenstromes durch die Öffnung 28 bei einer festgelegten Veränderung des Winkels α bzw. des Abstandes 27 als eine größere Verjüngung.
Der Strömungs-Steuerungskörper 33c umfasst einen ersten Teilbereich 38, der in Form eines Kegels ausgestaltet ist, einen sich darin anschließenden zweiten Teilbereich 39, der in Form eines Zylinders ausgestaltet ist und einen sich an den zweiten Teilbereich anschließenden dritten Teilbereich 40, der in Form eines Kegelstumpfes ausgestaltet ist. Der erste Teilbereich 38 weist eine erste Kegelverjüngung auf. Der dritte Teilbereich 40 weist eine zweite Kegelverjüngung auf. Die erste Kegelverjüngung und die zweite Kegelverjüngung können identisch sein oder voneinander abweichen.
Der Strömungs-Steuerungskörper 33d weist einen in Form eines Kegels bzw. eines Kegelstumpfes ausgestalteten ersten Teilbereich 41 und einen sich daran anschließenden zweiten Teilbereich 42 auf. Der zweite Teilbereich 42 ist dabei in Bezug auf die Mittelachse 37 gewölbt ausgestaltet. Mit anderen Worten weist er einen in Richtung der Mittelachse 37 sich kontinuierlich verändernden Radius und dementsprechend einen sich verändernden Umfang auf. Dabei nehmen der Radius bzw. der Umfang in Richtung der Mittelachse 37 von dem Teilbereich 41 kommend zunächst zu und im Folgenden wieder ab.
Weitere Ausführungsvarianten werden im Folgenden anhand der 4 und 5 näher beschrieben. In den gezeigten Varianten weist die Luftzufuhr-Ventilklappe 23 eine Mittellinie 17 auf, die durch die Rotationsachse 22 der Klappenwelle 21 verläuft. Der Strömungs-Steuerungskörper 33 bewegt sich auf einer festen Kreisbahn 10. In der in der 4 gezeigten Variante ist der Strömungs-Steuerungskörper 33 als Kegel mit einer Mittelachse 37 geformt.
In der in der 5 gezeigten Variante ist der Strömungs-Steuerungskörper 33e als nicht rotationssymetrischer kegelartiger Körper mit einer entlang der Kreisbahn 10 der Bewegung des Strömungs-Steuerungskörpers verlaufenden, gekrümmten Mittellinie geformt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass keine positionsabhängige Lage des Strömungs-Steuerungskörpers 33e relativ zur Position der Öffnung 28 in der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 auftritt, sondern der Strömungs-Steuerungskörper 33e immer in der Mitte der Öffnung 28 positioniert ist.
Die 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil 50 in einer geschnittenen Ansicht. Dieses umfasst eine zuvor beschriebene Ventilklappenanordnung 20.
Die 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasrückführungsvorrichtung 52. Diese umfasst ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil 50. Sie umfasst zudem eine Steuereinrichtung 51, die dazu ausgelegt ist, den Winkel α zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 und der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 zu steuern bzw. zu regeln und/oder die Position der Luftzufuhr-Ventilklappe 23 in Bezug auf die Lufteinlassöffnung 2 und die Position der Abgaszufuhr-Ventilklappe 24 in Bezug auf die Abgaseinlassöffnung 3 zu steuern bzw. zu regeln.
Die 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 53, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Motorrad, welches eine zuvor beschriebene Abgasrückführungsvorrichtung 52 umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Ventil
2: Lufteinlassöffnung
3: Abgaseinlassöffnung
4: Auslassöffnung
5: Strömungsrichtung der Luft
6: Strömungsrichtung des Abgases
7: Strömungsrichtung des Abgas-Luft-Gemisches
8: Ventilklappenanordnung
9: Ventilklappenanordnung
10: Drehung um Ventilwelle
11: Ventilwelle
12: Luftzufuhr-Ventilklappe
13: Oberseite
14: Unterseite
15: Abgaszufuhr-Ventilklappe
16: Ventilsitz
17: Mittellinie der Luftzufuhr-Ventilklappe
18: Oberflächennormale
19: Halterung
20: Ventilklappenanordnung
21: Klappenwelle
22: Rotationsachse
23: Luftzufuhr-Ventilklappe
24: Abgaszufuhr-Ventilklappe
25: distales Ende der Luftzufuhr-Ventilklappe
26: distales Ende der Abgaszufuhr-Ventilklappe
27: Abstand
28: Öffnung
29: Außenseite
30: Innenseite
31: Innenseite
32: Außenseite
33: Strömungs-Steuerungskörper
34: Ventilelement
35: Feder
36: Halterung
37: Mittelachse
38: erster Teilbereich
39: zweiter Teilbereich
40: dritter Teilbereich
41: erster Teilbereich
42: zweiter Teilbereich
50: Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil
51: Steuereinrichtung
52: Abgasrückführungsvorrichtung
53: Fahrzeug
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015110984 A1 [0005, 0010]
EP 3012445 A1 [0006]

Claims

Ventilklappenanordnung (20) für ein Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil (50), welche eine Klappenwelle (21) mit einer Rotationachse (22) umfasst, an welcher eine Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und eine Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) so angeordnet sind, dass sie um die Rotationachse (22) drehbar angeordnet sind und der durch Rotation um die Rotationachse (22) erzeugte Winkel oder Abstand zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr-Ventilklappe (23) eine Öffnung (28) umfasst, die Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) eine Innenseite (31), die der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) zugewandt angeordnet ist, und eine Außenseite (32) umfasst, wobei an der Innenseite (31) ein Strömungs-Steuerungskörper (33) angeordnet ist, der so geformt ist, dass er beim Zusammenführen der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) zumindest teilweise durch die Öffnung (28) in der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) hindurchragt.
Ventilklappenanordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungs-Steuerungskörper (33) eine Mittelachse (37) aufweist, die senkrecht zur Oberfläche der Innenseite (31) der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) verläuft und mindestens einen Bereich umfasst, der die Form eines Kegels aufweist.
Ventilklappenanordnung (20) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungs-Steuerungskörper (33) einen ersten Bereich aufweist, der die Form eines Kegels mit einer ersten Kegelverjüngung aufweist, und einen zweiten Bereich umfassen, der die Form eines Kegels mit einer zweiten Kegelverjüngung aufweist, wobei die erste Kegelverjüngung und die zweite Kegelverjüngung können voneinander abweichen oder gleich sind.
Ventilklappenanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungs-Steuerungskörper (33) eine Mittelachse (37) aufweist, die senkrecht zur Oberfläche der Innenseite (31) der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) verläuft und mindestens einen Bereich umfasst, der die Form eines Zylinders aufweist, und/oder der Strömungs-Steuerungskörper (33) mindestens einen Bereich umfasst, der einen Radius in Bezug auf die Mittelachse (37) aufweist, der mit zunehmendem Abstand von der Innenseite (31) der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) abnimmt, und/oder der Strömungs-Steuerungskörper (33) mindestens einen Bereich umfasst, der einen Radius in Bezug auf die Mittelachse (37) aufweist, der in Richtung der mit zunehmendem Abstand von der Innenseite (31) der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) zunimmt.
Ventilklappenanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und die Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) durch eine Feder (35) miteinander verbunden sind.
Ventilklappenanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung (36) an der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) und an der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) angeordnet ist, die dazu ausgelegt ist, den Abstand (27) oder Winkel α zwischen der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) und an der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) einzustellen und/oder zu begrenzen.
Ventilklappenanordnung (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (36) an dem Strömungs-Steuerungskörper (33) angeordnet ist.
Ventilklappenanordnung (20) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr-Ventilklappe (23) eine der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) zugewandte Innenseite (30) und eine der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) abgewandte Außenseite (29) umfasst, wobei die Halterung (36) an der Innenseite (30) oder an der Außenseite (29) der Luftzufuhr-Ventilklappe angeordnet ist.
Ventilklappenanordnung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (36) durch die Öffnung (28) in der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) hindurchführt.
Ventilklappenanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) eine der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) abgewandte Außenseite (32) umfasst und an der Außenseite (32) der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) ein Dichtelement (34) zum Schließen einer Abgaseinlassöffnung (3) angeordnet ist.
Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil (50), welches eine Lufteinlassöffnung (2), eine Abgaseinlassöffnung (3) und eine Auslassöffnung (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Ventilklappenanordnung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, die so angeordnet ist, dass die Luftzufuhr-Ventilklappe (23) zum Schließen der Lufteinlassöffnung (2) und die Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) zum Schließen der Abgaseinlassöffnung (3) ausgelegt sind.
Abgasrückführungsvorrichtung (52), welche ein Drei-Wege-Abgasrückführungs-Ventil (50) gemäß Anspruch 11 umfasst.
Abgasrückführungsvorrichtung (52) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinrichtung (51) umfasst, die dazu ausgelegt ist, den Winkel α zwischen der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) und der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) zu steuern und/oder die Position der Luftzufuhr-Ventilklappe (23) in Bezug auf die Lufteinlassöffnung (2) und Position der Abgaszufuhr-Ventilklappe (24) in Bezug auf die Abgaseinlassöffnung (3) zu steuern.
Verbrennungsmaschine, welche eine Abgasrückführungsvorrichtung (52) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13 umfasst
Fahrzeug (52), welches eine Verbrennungsmaschine gemäß Anspruch 14 und/oder eine Abgasrückführungsvorrichtung (52) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13 umfasst.