DE102019219399A1

DE102019219399A1 - Valve flap to control fluid flow through a flow channel and valve

Info

Publication number: DE102019219399A1
Application number: DE102019219399.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kemmerling; Hanno Friederichs; Helmut Kindl; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Andreas Kuske; Frank Wunderlich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Es werden eine Ventilklappe 1 zur Steuerung eines Fluiddurchflusses durch einen Strömungskanal 2 sowie ein Ventil 12 mit einer solchen Ventilklappe 1 angegeben. Die Ventilklappe 1 weist eine Ventilwelle 3 zur beweglichen Lagerung der Ventilklappe 1 in einer Wandung 4 des Strömungskanals 2, zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Ventilwelle 3 angeordnete und mittels jeweils einer Verbindungseinrichtung 5a, 5b mit der Ventilwelle 3 verbundene äußere Verschlusselemente 6a, 6b, ein drehbar um die Ventilwelle 3 gelagertes inneres Verschlusselement 7, Halteelemente 8a, 8b, ausgebildet zum Aufbringen einer Kraft auf das innere Verschlusselement 7 mittels der Verbindungseinrichtungen 5a, 5b und einen starr mit der Ventilwelle 3 verbundenen Mitnehmer 9, ausgebildet zur Mitnahme des inneren Verschlusselements 7 in bestimmten Drehstellungen der Ventilwelle 3, auf. Die äußeren Verschlusselemente 6a, 6b und das innere Verschlusselement 7 bilden zusammen eine Verschlussfläche 11.A valve flap 1 for controlling a fluid flow through a flow channel 2 and a valve 12 with such a valve flap 1 are specified. The valve flap 1 has a valve shaft 3 for the movable mounting of the valve flap 1 in a wall 4 of the flow channel 2, two outer closure elements 6a, 6b arranged on opposite sides of the valve shaft 3 and connected to the valve shaft 3 by means of a connecting device 5a, 5b, respectively around the valve shaft 3 mounted inner closure element 7, holding elements 8a, 8b, designed to apply a force to the inner closure element 7 by means of the connecting devices 5a, 5b and a driver 9 rigidly connected to the valve shaft 3, designed to take the inner closure element 7 in certain Rotary positions of the valve shaft 3. The outer closure elements 6a, 6b and the inner closure element 7 together form a closure surface 11.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilklappe zur Steuerung eines Fluiddurchflusses durch einen Strömungskanal sowie ein Ventil mit einer solchen Ventilklappe.The present invention relates to a valve flap for controlling a fluid flow through a flow channel and a valve with such a valve flap.

Kraftfahrzeuge verfügen heutzutage häufig über eine Abgasrückführung. Ein Abgasrückführungsventil, im Folgenden als AGR-Ventil bezeichnet, dient der Steuerung der rückgeführten Abgasmenge, d. h. mittels des AGR-Ventils lässt sich festlegen, wieviel rückgeführtes Abgas der Frischluft zugeführt wird. Das AGR-Ventil kann beispielsweise im Abgasrückführungsstrang an der Abgaseinleitstelle des Abgases in die von außen zugeführte Frischluft angeordnet sein.Nowadays, motor vehicles often have exhaust gas recirculation. An exhaust gas recirculation valve, hereinafter referred to as an EGR valve, serves to control the amount of exhaust gas recirculated, i.e. H. The EGR valve can be used to determine how much recirculated exhaust gas is added to the fresh air. The EGR valve can be arranged, for example, in the exhaust gas recirculation line at the exhaust gas inlet point of the exhaust gas into the fresh air supplied from the outside.

Die Dimensionierung eines AGR-Ventils ist abhängig von der gewünschten Durchflussleistung und Steuerbarkeit des Massenstroms an rückgeführtem Abgas. Bei großen Druckdifferenzen ist für eine gute Steuerbarkeit ein kleines Ventil, d. h. ein Ventil mit kleiner Verschlussfläche und folglich einer geringen Öffnung, notwendig, um einen ausreichend großen Ventilhub zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu kann bei geringen Druckdifferenzen eine gute Steuerbarkeit nur mit einem größeren Ventil, d. h. einem Ventil mit großer Verschlussfläche und folglich größerer Öffnung, erreicht werden.The dimensioning of an EGR valve depends on the desired flow rate and controllability of the mass flow of recirculated exhaust gas. With large pressure differences, a small valve, ie. H. a valve with a small closure area and consequently a small opening, necessary to enable a sufficiently large valve lift. In contrast, with small pressure differences, good controllability can only be achieved with a larger valve, i.e. H. a valve with a large sealing surface and consequently a larger opening.

Die Einhaltung zukünftiger gesetzlicher Regelungen hinsichtlich der Emission von Luftschadstoffen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors erfordert die Anwendung der Abgasrückführung im gesamten Motorkennfeld des Verbrennungsmotors. Derzeitige AGR-Ventile sind jedoch nicht geeignet, die notwendigen Durchflussleistungen von niedrigen bis zu hohen Drücken, d. h. von niedrigem Teillast- bis Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors, zu erbringen und den Massenstrom des rückgeführten Abgases entsprechend steuern zu können.Compliance with future legal regulations regarding the emission of air pollutants when operating an internal combustion engine requires the use of exhaust gas recirculation in the entire engine map of the internal combustion engine. Current EGR valves, however, are not suitable for the necessary flow rates from low to high pressures, i.e. H. from low part load to full load operation of the internal combustion engine, and to be able to control the mass flow of the recirculated exhaust gas accordingly.

In der GB 905 704 A wird ein Fluidsteuerventil beschrieben, das ein zylindrisches Gehäuse mit einem Anschlag für einen zusammengesetzten Schmetterlingsverschluss aufweist. Der Schmetterlingsverschluss weist eine äußere ringförmige Scheibe auf, in deren zentraler Öffnung eine innere Scheibe sitzt, die einen zur Scheibe senkrecht angeordneten Vorsprung aufweist. Die innere Scheibe ist auf einer federbelasteten Welle montiert, die mit einem Elektromotor verbunden sein kann. Bei Drehen der Welle öffnet sich die innere Scheibe, während die äußere Scheibe solange stationär verbleibt, bis sie mit dem Vorsprung in Eingriff steht. Nach erfolgtem Eingriff drehen sich beide Scheiben zusammen in eine vollständig geöffnete Position.In the GB 905 704 A describes a fluid control valve which has a cylindrical housing with a stop for a composite butterfly seal. The butterfly closure has an outer annular disc, in the central opening of which an inner disc is seated, which has a projection arranged perpendicular to the disc. The inner disc is mounted on a spring-loaded shaft, which can be connected to an electric motor. When the shaft rotates, the inner disk opens, while the outer disk remains stationary until it engages with the projection. After the intervention, both disks rotate together to a fully open position.

Aus der DE 698 10 184 T2 ist eine Drosselvorrichtung mit regelbarer Öffnung bekannt, mit der die Luftversorgung eines Verbrennungsmotors geregelt werden kann. Die Drosselvorrichtung weist dazu ein Hauptdrosselelement mit einer kleinen Öffnung auf, die mittels einer Drosselklappe geöffnet bzw. verschlossen werden kann.From the DE 698 10 184 T2 a throttle device with a controllable opening is known, with which the air supply of an internal combustion engine can be regulated. For this purpose, the throttle device has a main throttle element with a small opening, which can be opened or closed by means of a throttle valve.

Die DE 18 90 465 U beschreibt eine Drosselklappe zum Regeln unterschiedlich großer Mengen gasförmiger Medien mit einer Klappe, die aus einer Ringklappe und einer in einer Öffnung der Ringklappe angeordneten drehbaren Klappe besteht.The DE 18 90 465 U describes a throttle valve for controlling different amounts of gaseous media with a flap consisting of an annular flap and a rotatable flap arranged in an opening of the annular flap.

Weitere Ventile sind aus der WO 2017/ 005 416 A1 , der JP 2001-349 453 A sowie der KR 10 2011 0 054 966 A bekannt.Other valves are from the WO 2017/005 416 A1 , of the JP 2001-349 453 A as well as the KR 10 2011 0 054 966 A known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ventilklappe sowie ein Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchflusses durch einen Strömungskanal anzugeben, die sowohl bei geringen als auch bei hohen Druckdifferenzen eine gute Steuerbarkeit des Fluiddurchflusses ermöglichen.The object of the present invention is to provide a valve flap and a valve for controlling a fluid flow through a flow channel, which allow good controllability of the fluid flow both at low and at high pressure differences.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche enthalten Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims contain design variants of these solutions according to the invention.

Eine erfindungsgemäße Ventilklappe zur Steuerung eines Fluiddurchflusses durch einen Strömungskanal weist eine Ventilwelle zur beweglichen Lagerung der Ventilklappe in einer Wandung des Strömungskanals, zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Ventilwelle angeordnete und mittels jeweils einer Verbindungseinrichtung mit der Ventilwelle verbundene äußere Verschlusselemente, ein drehbar um die Ventilwelle gelagertes inneres Verschlusselement, Halteelemente, ausgebildet zum Aufbringen einer Kraft auf das innere Verschlusselement mittels der Verbindungseinrichtungen und einen starr mit der Ventilwelle verbundenen Mitnehmer, ausgebildet zur Mitnahme des inneren Verschlusselements in bestimmten Drehstellungen der Ventilwelle, auf. Die äußeren Verschlusselemente und das innere Verschlusselement bilden zusammen eine Verschlussfläche.A valve flap according to the invention for controlling a flow of fluid through a flow channel has a valve shaft for movably mounting the valve flap in a wall of the flow channel, two outer closure elements arranged on opposite sides of the valve shaft and connected to the valve shaft by means of a connecting device in each case, and an inner one which is rotatably mounted around the valve shaft Closure element, holding elements, designed to apply a force to the inner closure element by means of the connecting devices and a driver rigidly connected to the valve shaft, designed to take the inner closure element in certain rotational positions of the valve shaft. The outer closure elements and the inner closure element together form a closure surface.

Die Ventilklappe dient der Steuerung des Durchflusses eines Fluids, also eines Gases oder einer Flüssigkeit in einem Strömungskanal, d. h. der Massenstrom des Fluids kann gesteuert sowie in einer Weiterbildung mit Rückführung geregelt werden. Die Ventilklappe kann also in einem Strömungskanal angeordnet werden, wobei die äußeren Abmessungen der Ventilklappe vorzugsweise so gewählt sind, dass der Strömungskanal im geschlossenen Zustand der Ventilklappe abgedichtet werden kann. Optional kann ein Dichtelement im Übergangsbereich zwischen Ventilklappe und Strömungskanal angeordnet sein.The valve flap serves to control the flow of a fluid, that is to say a gas or a liquid in a flow channel, ie the mass flow of the fluid can be controlled and, in a further development, regulated with feedback. The valve flap can therefore be arranged in a flow channel, the external dimensions of the valve flap preferably being selected such that the flow channel can be sealed when the valve flap is closed. Optionally, a sealing element in the transition area be arranged between the valve flap and the flow channel.

Bevorzugt entspricht die geometrische Form der Verschlussfläche der Ventilklappe dem Querschnitt des Strömungskanals. Ist also der Strömungskanal beispielsweise als Rohrleitung mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet, so weist die Verschlussfläche bevorzugt ebenfalls eine kreisrunde Form auf. Die Ventilklappe kann zusammen mit dem Strömungskanal und ggf. dem Dichtmittel ein Ventil bilden.The geometric shape of the closure surface of the valve flap preferably corresponds to the cross section of the flow channel. If the flow channel is designed, for example, as a pipe with a circular cross section, the closure surface preferably also has a circular shape. The valve flap can form a valve together with the flow channel and possibly the sealant.

Die Ventilklappe weist eine Ventilwelle auf, um die Ventilklappe beweglich in einer Wandung des Strömungskanals lagern zu können. Die Ventilwelle kann mit einer Antriebseinrichtung, z. B. einem Elektromotor, kraftübertragend verbunden sein, so dass eine Drehbewegung der Ventilwelle und damit der Ventilklappe gesteuert bzw. geregelt werden kann.The valve flap has a valve shaft so that the valve flap can be movably supported in a wall of the flow channel. The valve shaft can be equipped with a drive device, e.g. B. an electric motor, connected to transmit power, so that a rotary movement of the valve shaft and thus the valve flap can be controlled or regulated.

Die Ventilklappe verfügt insgesamt über drei Verschlusselemente, zwei äußere Verschlusselemente sowie ein inneres Verschlusselement. Die äußeren Verschlusselemente und das innere Verschlusselement bilden zusammen die Verschlussfläche. Die dreiteilige Ausbildung der Verschlussfläche ermöglicht eine differenzierte Öffnung der Ventilklappe, z. B. in Abhängigkeit der Druckdifferenz über der Ventilklappe. Beispielsweise können bei einer großen Druckdifferenz zunächst nur die äußeren Verschlusselemente geöffnet werden, während bei einer geringen Druckdifferenz alle drei Verschlusselemente geöffnet werden können.The valve flap has a total of three closure elements, two outer closure elements and an inner closure element. The outer closure elements and the inner closure element together form the closure surface. The three-part design of the closure surface enables a differentiated opening of the valve flap, e.g. B. depending on the pressure difference across the valve flap. For example, if the pressure difference is large, only the outer closure elements can be opened, while if the pressure difference is small, all three closure elements can be opened.

Die äußeren Verschlusselemente sind beabstandet von der Ventilwelle angeordnet, mit dieser jedoch mittels jeweils einer Verbindungseinrichtung verbunden, vorzugsweise starr verbunden. Die Verbindungseinrichtungen können als Hebel angesehen werden. Außerdem sind die äußeren Verschlusselemente auf gegenüberliegenden Seiten der Ventilwelle und bevorzugt achssymmetrisch bezüglich der Ventilwelle, d. h. die Ventilwelle bildet die Symmetrieachse, angeordnet.The outer closure elements are arranged at a distance from the valve shaft, but are connected to it, in each case by means of a connecting device, preferably rigidly connected. The connection devices can be regarded as levers. In addition, the outer closure elements are on opposite sides of the valve shaft and preferably axially symmetrical with respect to the valve shaft, i. H. the valve shaft forms the axis of symmetry, arranged.

Das innere Verschlusselement ist drehbar um die Ventilwelle gelagert.The inner closure element is rotatably mounted around the valve shaft.

Außerdem weist die Ventilklappe Halteelemente auf. Die Halteelemente können als Federelemente ausgebildet sein, die jeweils eine der Verbindungseinrichtungen mit dem inneren Verschlusselement verbinden. Die Federelemente können beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet sein. Alternativ können die Halteelemente als Magnete, z. B. Permanentmagnete ausgebildet sein. Die Halteelemente dienen dem Aufbringen einer Haltekraft auf das innere Verschlusselement, um dieses bei Bedarf geschlossen zu halten.In addition, the valve flap has holding elements. The holding elements can be designed as spring elements, each of which connects one of the connecting devices to the inner closure element. The spring elements can be designed, for example, as a helical spring. Alternatively, the holding elements as magnets, e.g. B. permanent magnets. The holding elements serve to apply a holding force to the inner closure element in order to keep it closed if necessary.

Zudem verfügt die Ventilklappe über einen starr mit der Ventilwelle verbundenen Mitnehmer, der das innere Verschlusselement in bestimmten Drehstellungen der Ventilwelle mitnimmt.In addition, the valve flap has a driver rigidly connected to the valve shaft, which takes the inner closure element in certain rotational positions of the valve shaft.

Die Ausbildung der Ventilklappe mit drei Verschlusselementen ermöglicht eine variable Öffnung des Strömungskanals und damit eine flexible Steuerung des Fluiddurchflusses. Ausgehend von einer geschlossenen Position der Ventilklappe, in der alle Verschlusselemente linear ausgerichtet sind und eine geschlossene Verschlussfläche bilden und in der die Federelemente zusammengedrückt sind, werden in einer ersten Drehstellung lediglich die beiden äußeren Verschlusselemente geöffnet. Hierbei dreht sich die Ventilwelle frei im Lager des inneren Verschlusselements.The design of the valve flap with three closure elements enables variable opening of the flow channel and thus flexible control of the fluid flow. Starting from a closed position of the valve flap, in which all closure elements are aligned linearly and form a closed closure surface and in which the spring elements are compressed, only the two outer closure elements are opened in a first rotational position. The valve shaft rotates freely in the bearing of the inner closure element.

Die Federelemente verbleiben teilweise zusammengedrückt und halten das innere Verschlusselemente in einer geschlossenen Position, während die äußeren Verschlusselemente bereits geöffnet sind. Diese erste Öffnungsposition ist bevorzugt für niedrige Massenströme bei großen Druckdifferenzen geeignet.The spring elements remain partially compressed and hold the inner closure element in a closed position while the outer closure elements are already open. This first opening position is preferably suitable for low mass flows with large pressure differences.

Wird die Ventilwelle weitergedreht, nimmt der Mitnehmer das innere Verschlusselement mit und dieses wird ebenfalls geöffnet. Die konkrete Öffnungsposition wird durch die Drehstellung der Ventilwelle festgelegt. Die Federelemente sorgen in Kombination mit dem Mitnehmer dafür, dass das innere Verschlusselement eine definierte Position bezüglich der Ventilwelle einnimmt. Eine solche zweite Öffnungsposition ist bevorzugt für hohe Massenströme geeignet.If the valve shaft is turned further, the driver takes the inner closure element with it and this is also opened. The specific opening position is determined by the rotary position of the valve shaft. In combination with the driver, the spring elements ensure that the inner closure element assumes a defined position with respect to the valve shaft. Such a second opening position is preferably suitable for high mass flows.

Die erfindungsgemäße Ventilklappe ermöglicht sowohl bei geringen Druckdifferenzen als auch bei hohen Druckdifferenzen und einem geringen Massenstrom eine gute Steuerbarkeit des Fluiddurchflusses, indem die Funktionalitäten eines Ventils mit kleiner Verschlussfläche und eines Ventils mit großer Verschlussfläche miteinander vereint werden. Vorteilhaft wird also lediglich eine Ventilklappe mit einem zugehörigen Aktor benötigt, um einen großen Bereich an Druckverhältnissen und Massenströmen abzudecken. Es werden also zwei unterschiedliche Strömungscharakteristika in einer Ventilklappe miteinander kombiniert.The valve flap according to the invention enables good controllability of the fluid flow both at low pressure differences as well as at high pressure differences and a low mass flow by combining the functionalities of a valve with a small sealing surface and a valve with a large sealing surface. Thus, advantageously only one valve flap with an associated actuator is required in order to cover a large range of pressure conditions and mass flows. So two different flow characteristics are combined with each other in a valve flap.

Ist beispielsweise nur ein kleiner Öffnungsquerschnitt, also eine große Verschlussfläche, erforderlich, können die äußeren Verschlusselemente geöffnet werden. An den Wandungen des Strömungskanals, dessen Fluiddurchfluss mittels der Ventilklappe gesteuert wird, sind üblicherweise in Folge der Wandreibung relativ geringe Strömungsgeschwindigkeiten vorherrschend. Dadurch ist auch der Massenstrom in der Nähe der Wandung des Strömungskanals in der Regel niedriger als in der Mitte des Strömungskanals. Diese Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten ermöglicht in Kombination mit den mittels der äußeren Verschlusselemente realisierbaren kleinen Öffnungsquerschnitten eine besonders gute Steuerung oder Regelung des Fluiddurchflusses auch bei geringen Massenströmen. Mit anderen Worten kann der Aktuator der Ventilklappe sehr präzise kleine Fluidmengen, z. B. an rückgeführtem Abgas, bei gleichzeitig robust ansteuerbaren, also nicht zu kleinen, Bewegungen der Ventilklappe kontrollieren.If, for example, only a small opening cross-section, ie a large closure area, is required, the outer closure elements can be opened. On the walls of the flow channel, the fluid flow of which is controlled by means of the valve flap, relatively low flow velocities are usually predominant as a result of the wall friction. This also means that the mass flow is close to the wall of the Flow channel usually lower than in the middle of the flow channel. This distribution of the flow velocities, in combination with the small opening cross sections that can be achieved by means of the outer closure elements, enables particularly good control or regulation of the fluid flow even with low mass flows. In other words, the actuator of the valve flap can very precisely small amounts of fluid, for. B. on recirculated exhaust gas, at the same time robustly controllable, so not too small, check movements of the valve flap.

Im Vergleich zu einer üblichen Drosselklappe wird für die erfindungsgemäße Ventilklappe kein zusätzlicher Bauraum benötigt, so dass bei Bedarf herkömmliche Drosselklappen einfach durch die erfindungsgemäße Drosselklappe ersetzt werden können. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft bei Anwendungen mit begrenztem Bauraum, z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, aus.In comparison to a conventional throttle valve, no additional installation space is required for the valve flap according to the invention, so that conventional throttle flaps can easily be replaced by the throttle valve according to the invention if required. This has a particularly advantageous effect in applications with limited installation space, eg. B. in the engine compartment of a motor vehicle.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können die Verbindungseinrichtungen auf gegenüberliegenden Seiten der Verschlusselemente angeordnet sein. Mit anderen Worten kann eine Verbindungseinrichtung auf der Vorderseite der Ventilklappe und die andere Verbindungseinrichtung auf der Rückseite der Ventilklappe angeordnet sein.According to various design variants, the connecting devices can be arranged on opposite sides of the closure elements. In other words, one connecting device can be arranged on the front of the valve flap and the other connecting device can be arranged on the rear of the valve flap.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann die Ventilklappe symmetrisch aufgebaut sein, so dass sich die auf die Ventilwelle wirkenden Kräfte gegenseitig aufheben können. Zudem kann eine derartige Ausgestaltung aus thermischer Sicht vorteilhaft sein, da bei einer Anwendung in einer Hochtemperaturumgebung, also z. B. im Abgasrückführungsstrang, auftretende Spannungen und Ausdehnungen sich gegenseitig kompensieren können.With such a configuration, the valve flap can be constructed symmetrically, so that the forces acting on the valve shaft can cancel each other out. In addition, such a configuration can be advantageous from a thermal point of view, since when used in a high-temperature environment, for. B. in the exhaust gas recirculation line, occurring stresses and expansions can compensate each other.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die einander zugewandten Kanten der äußeren Verschlusselemente und des inneren Verschlusselements komplementär, also sich gegenseitig ergänzend, abgeschrägt sein.According to further embodiment variants, the mutually facing edges of the outer closure elements and of the inner closure element can be complementary, that is to say mutually complementary, beveled.

Durch die Abschrägungen wird die Kontaktfläche zwischen den äußeren und dem inneren Verschlusselement vergrößert, so dass eine Abdichtung im geschlossenen Zustand der Ventilklappe verbessert ist.The bevels increase the contact area between the outer and the inner closure element, so that sealing in the closed state of the valve flap is improved.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das innere Verschlusselement mittels eines Rollenlagers oder eines Gleitlagers drehbar um die Ventilwelle gelagert sein.According to various design variants, the inner closure element can be rotatably mounted around the valve shaft by means of a roller bearing or a sliding bearing.

Ein Rollenlager hat den Vorteil einer geringeren Reibung, allerdings wird meist mehr Bauraum benötigt. Demgegenüber kann ein Gleitlager kompakter gestaltet und kostengünstiger gefertigt werden.A roller bearing has the advantage of less friction, but more space is usually required. In contrast, a plain bearing can be made more compact and manufactured more cost-effectively.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die äußeren Verschlusselemente gelenkig mit der jeweiligen Verbindungseinrichtung verbunden sein.According to further embodiment variants, the outer closure elements can be connected in an articulated manner to the respective connecting device.

Durch die gelenkigen Verbindungen kann eine verbesserte Abdichtung gegenüber dem Sitz der Ventilklappe im Strömungskanal erreicht werden.Thanks to the articulated connections, an improved seal with respect to the seat of the valve flap in the flow channel can be achieved.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die äußeren Verschlusselemente und das innere Verschlusselement zusammen eine kreisförmige Verschlussfläche bilden. Mindestens eines der äußeren Verschlusselemente bildet dabei ein Kreissegment der Verschlussfläche.According to further embodiment variants, the outer closure elements and the inner closure element can together form a circular closure surface. At least one of the outer closure elements forms a circular segment of the closure surface.

Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, falls die Ventilklappe in einem Strömungskanal mit kreisrundem Querschnitt angeordnet werden soll. Zudem wird ein symmetrischer Aufbau mit den damit verbundenen oben aufgeführten Vorteilen begünstigt.Such a configuration is particularly advantageous if the valve flap is to be arranged in a flow channel with a circular cross section. In addition, a symmetrical structure with the associated advantages listed above is favored.

Ein erfindungsgemäßes Ventil weist eine Ventilklappe gemäß vorstehender Beschreibung auf.A valve according to the invention has a valve flap as described above.

Das Ventil wird durch einen Strömungskanal, der einen Fluideinlass mit einem Fluidauslass verbindet, eine Ventilklappe und einen Aktor zum Betätigen der Ventilklappe gebildet. In dem Strömungskanal ist die Ventilklappe angeordnet, wobei die Ventilwelle beweglich in einer Wandung des Strömungskanals gelagert ist. Im Strömungskanal können Elemente, z. B. eine Ringdichtung, angeordnet sein, die als Anschlag für die Verschlusselemente der Ventilklappe bzw. Ventilsitz dienen, um eine gute Abdichtung der Ventilklappe im geschlossenen Zustand gegenüber der Wandung des Strömungskanals sicherzustellen und eine definierte geschlossene Position, insbesondere für das innere Verschlusselement, zu ermöglichen. Die Elemente sind bevorzugt jeweils gegenüberliegend zu den Verbindungseinrichtungen angeordnet.The valve is formed by a flow channel which connects a fluid inlet to a fluid outlet, a valve flap and an actuator for actuating the valve flap. The valve flap is arranged in the flow channel, the valve shaft being movably mounted in a wall of the flow channel. In the flow channel, elements such. B. an annular seal can be arranged, which serve as a stop for the closure elements of the valve flap or valve seat to ensure a good seal of the valve flap in the closed state against the wall of the flow channel and to allow a defined closed position, in particular for the inner closure element . The elements are preferably arranged opposite each other to the connecting devices.

Das Ventil weist außerdem einen Aktor, z. B. einen Elektromotor, zum Betätigen der Ventilklappe auf, der auf die Ventilwelle einwirkt und diese in verschiedene Drehstellungen bewegen kann. In Abhängigkeit der Drehstellung verschließt die Ventilklappe den Strömungskanal vollständig oder teilweise oder lässt einen maximalen Fluidstrom zu, indem die Ventilklappe parallel zu einer Längserstreckung des Strömungskanals ausgerichtet wird.The valve also has an actuator, e.g. B. an electric motor for actuating the valve flap, which acts on the valve shaft and can move it into different rotational positions. Depending on the rotational position, the valve flap closes the flow channel completely or partially or allows a maximum fluid flow by aligning the valve flap parallel to a longitudinal extent of the flow channel.

Das Ventil kann beispielsweise als Abgasrückführventil (AGR-Ventil) ausgebildet sein, d. h. es wird der Massenstrom des zur Frischluft hinzugefügten Abgases gesteuert. Ein solches Ventil ist für vielfältige Druckbedingungen und Massenströme geeignet, so dass eine Abgasrückführung in weitgehend allen Bereichen des Motorkennfelds des Verbrennungsmotors vorgenommen werden kann. Die Vorteile einer Abgasrückführung, z. B. Reduktion der Emission von Luftschadstoffen, können somit bei vielfältigen Betriebsbedingungen zum Tragen kommen.The valve can be designed, for example, as an exhaust gas recirculation valve (EGR valve), ie the mass flow of the exhaust gas added to the fresh air is controlled. Such a valve is suitable for a variety of pressure conditions and mass flows, so that exhaust gas recirculation in largely all areas of the engine map of the internal combustion engine can be made. The advantages of exhaust gas recirculation, e.g. B. Reduction of the emission of air pollutants can thus come into play in a variety of operating conditions.

Zudem kann ein solches AGR-Ventil zur Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften hinsichtlich der Emission von Luftschadstoffen beim Betrieb von Verbrennungsmotoren beitragen, da z. B. Dieselmotoren der Emissionsstufe EU7 im gesamten Motorkennfeld rückgeführtes Abgas zur Stickoxidreduzierung verwenden müssen. Dafür sind große Öffnungsquerschnitte nötig, um große Massenströme an rückgeführtem Abgas bei geringen treibenden Druckgefällen zu ermöglichen. Gleichzeitig sind aber auch besonders kleine Öffnungsquerschnitte erforderlich, um bei hohen treibenden Druckgefällen, z. B. im Volllastbetrieb, einen geringen Massenstrom an rückgeführtem Abgas erhalten zu können. Diese Öffnungsquerschnitte können mit dem beschriebenen AGR-Ventil einfach und robust realisiert werden, wobei mit der konkreten Anordnung der äußeren und inneren Verschlusselemente die vorstehend mit Bezug auf die Ventilklappe beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Steuerung oder Regelung kleiner Mengen an rückgeführtem Abgas realisiert werden können.In addition, such an EGR valve can contribute to compliance with legal regulations with regard to the emission of air pollutants when operating internal combustion engines. B. Diesel engines with emission level EU7 must use recirculated exhaust gas for nitrogen oxide reduction in the entire engine map. This requires large opening cross sections to enable large mass flows of recirculated exhaust gas with a low driving pressure drop. At the same time, however, particularly small opening cross-sections are required in order to withstand high driving pressure drops, e.g. B. in full load operation to receive a low mass flow of recirculated exhaust gas. These opening cross-sections can be realized simply and robustly with the described EGR valve, whereby with the specific arrangement of the outer and inner closure elements the advantages described above with regard to the valve flap with regard to the control or regulation of small amounts of recirculated exhaust gas can be realized.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ventilklappe in einer beispielhaften Ausgestaltung;
2a - 2c eine Schnittdarstellung der Ventilklappe in verschiedenen Drehpositionen der Ventilwelle;
3a eine schematische Darstellung eines Ventils mit einer Ventilklappe in einer beispielhaften Ausgestaltung; und
3b eine Schnittdarstellung des Ventils.

The invention is explained in more detail below with the aid of the figures and the associated description. Show it:

1 a schematic representation of a valve flap in an exemplary embodiment;
2a - 2c a sectional view of the valve flap in different rotational positions of the valve shaft;
3a a schematic representation of a valve with a valve flap in an exemplary embodiment; and
3b a sectional view of the valve.

In 1 ist eine Ventilklappe 1 schematisch dargestellt. Die 2a - 2c zeigen die Ventilklappe 1 im Querschnitt entlang der Linie A-A mit Blick in Pfeilrichtung. Die Ventilklappe 1 kann zur Steuerung eines Fluiddurchflusses durch einen Strömungskanal 2 genutzt werden. Beispielsweise kann die Ventilklappe 1 Teil eines AGR-Ventils sein, mit dem der Anteile an rückgeführtem Abgas in der Zuluft eines Verbrennungsmotors festgelegt wird.In 1 is a valve flap 1 shown schematically. The 2a - 2c show the valve flap 1 in cross-section along the line AA with a view in the direction of the arrow. The valve flap 1 can be used to control fluid flow through a flow channel 2nd be used. For example, the valve flap 1 Be part of an EGR valve, with which the proportion of recirculated exhaust gas in the supply air of an internal combustion engine is determined.

Die Ventilklappe 1 weist eine Ventilwelle 3 auf, mit der die Ventilklappe in einer Wandung 4 des Strömungskanals 2 beweglich gelagert werden kann. Die Verschlussfläche 11 der Ventilklappe 3 wird durch drei Verschlusselemente 6a, 6b, 7 gebildet. Neben der in 1 gezeigten kreisförmigen Verschlussfläche 11 können auch andere Verschlussflächen 11, z. B. eine quadratische oder eine sechseckige Verschlussfläche gebildet werden. Die Form der Verschlussfläche 11 richtet sich üblicherweise nach der Form des Querschnitts des Strömungskanals 2, indem die Ventilklappe 1 angeordnet werden soll.The valve flap 1 has a valve shaft 3rd with which the valve flap in a wall 4th of the flow channel 2nd can be stored movably. The closure surface 11 the valve flap 3rd is through three closure elements 6a , 6b , 7 educated. In addition to the in 1 shown circular closure surface 11 can also use other sealing surfaces 11 , e.g. B. a square or a hexagonal closure surface can be formed. The shape of the closure surface 11 usually depends on the shape of the cross section of the flow channel 2nd by the valve flap 1 to be arranged.

Die drei Verschlusselemente 6a, 6b, 7 umfassen zwei äußere Verschlusselemente 6a, 6b und ein inneres Verschlusselement 7, wobei die beiden äußeren Verschlusselemente 6a, 6b auf gegenüberliegenden Seiten und symmetrisch bezüglich der Ventilwelle 3, jedoch ohne direkten Kontakt mit der Ventilwelle 3, angeordnet sind.The three closure elements 6a , 6b , 7 comprise two outer closure elements 6a , 6b and an inner closure element 7 , with the two outer closure elements 6a , 6b on opposite sides and symmetrical with respect to the valve shaft 3rd , but without direct contact with the valve shaft 3rd are arranged.

Die beiden äußeren Verschlusselemente 6a, 6b bilden Kreissegmente der Verschlussfläche 11 und sind mittels jeweils einer hebelförmigen Verbindungseinrichtung 5a, 5b mit der Ventilwelle 3 verbunden, so dass bei einer Drehbewegung der Ventilwelle 3 auch die äußeren Verschlusselemente 6a, 6b in jedem Fall mit bewegt werden. Die Verbindungseinrichtungen 5a, 5b sind auf gegenüberliegenden Seiten der Verschlusselemente 6a, 6b, 7 angeordnet. Folglich ist in 1 lediglich eine Verbindungseinrichtung 5a ersichtlich, da sich die andere Verbindungseinrichtung 5b auf der Rückseite der Verschlusselemente 6a, 6b, 7 befindet. Optional können die äußeren Verschlusselemente 6a, 6b gelenkig mit der jeweiligen Verbindungseinrichtung 5a, 5b verbunden sein (nicht dargestellt).The two outer closure elements 6a , 6b form circular segments of the closure surface 11 and are each by means of a lever-shaped connecting device 5a , 5b with the valve shaft 3rd connected so that when the valve shaft rotates 3rd also the outer closure elements 6a , 6b be moved with in any case. The connecting devices 5a , 5b are on opposite sides of the closure elements 6a , 6b , 7 arranged. Hence in 1 just a connector 5a can be seen because the other connecting device 5b on the back of the fastener 6a , 6b , 7 located. Optionally, the outer closure elements 6a , 6b articulated with the respective connection device 5a , 5b be connected (not shown).

Das innere Verschlusselement 7 erstreckt sich beidseits um die Ventilwelle 3 und ist drehbar um die Ventilwelle 3 gelagert, z. B. mittels eines Rollenlagers oder eines Gleitlagers (nicht dargestellt). Die drehbare Lagerung bewirkt, dass das innere Verschlusselement 7 bei einer Drehbewegung der Ventilwelle 3 bis zum nachfolgend beschriebenen Eingreifen des Mitnehmers 9 nicht mit dreht, sondern in ihrer Ausgangsposition (geschlossener Zustand) verbleibt.The inner closure element 7 extends on both sides around the valve shaft 3rd and is rotatable around the valve shaft 3rd stored, e.g. B. by means of a roller bearing or a plain bearing (not shown). The rotatable bearing causes the inner closure element 7 when the valve shaft rotates 3rd until the driver intervenes as described below 9 does not rotate, but remains in its starting position (closed state).

Die einander zugewandten Kanten 10 der äußeren Verschlusselemente 6a, 6b sowie des inneren Verschlusselementes 7 sind komplementär abgeschrägt, so dass die Kontaktfläche zwischen den Verschlusselementen 6a, 6b, 7 im geschlossenen Zustand vergrößert ist.The edges facing each other 10th the outer closure elements 6a , 6b and the inner closure element 7 are complementarily bevelled, so that the contact surface between the closure elements 6a , 6b , 7 is enlarged when closed.

Außerdem weist die Ventilklappe zwei Halteelemente 8a, 8b auf, die als Schraubenfeder ausgebildet sind und die die beiden Verbindungseinrichtungen 5a, 5b mit dem inneren Verschlusselement 7 verbinden (siehe 2).In addition, the valve flap has two holding elements 8a , 8b on, which are designed as a coil spring and the two connecting devices 5a , 5b with the inner closure element 7 connect (see 2nd ).

Darüber hinaus verfügt die Ventilklappe 1 über einen starr mit der Ventilwelle 3 verbundenen Mitnehmer 9, der dazu dient, das innere Verschlusselement 7 in bestimmten Drehstellungen der Ventilwelle 3 mitzunehmen und folglich mitzudrehen.In addition, the valve flap 1 over a rigid with the valve shaft 3rd connected carrier 9 that serves the inner Closure element 7 in certain rotary positions of the valve shaft 3rd to take along and consequently to shoot.

Die Funktionsweise der Ventilklappe 1 wird nachfolgend anhand der 2a - 2c erläutert, die die Ventilklappe 1 im Querschnitt in verschiedenen Dreh- bzw. Öffnungspositionen zeigen.How the valve flap works 1 is subsequently based on the 2a - 2c explains the valve flap 1 show in cross-section in different turning or opening positions.

In 2a ist die Ventilklappe 1 im geschlossenen Zustand dargestellt, so dass bei Anordnung im Strömungskanal ein Fluiddurchfluss komplett verhindert werden kann. Im geschlossenen Zustand bilden alle drei Verschlusselemente 6a, 6b, 7 gemeinsam die Verschlussfläche 11, indem sie linear ausgerichtet sind. Die Halteelemente 8a, 8b sind zusammengedrückt, d. h. sie speichern potentielle Energie.In 2a is the valve flap 1 shown in the closed state, so that a fluid flow can be completely prevented when arranged in the flow channel. In the closed state, all three closure elements form 6a , 6b , 7 together the closure surface 11 by aligning them linearly. The holding elements 8a , 8b are compressed, ie they store potential energy.

Um einen gewissen Fluiddurchfluss zu ermöglichen, wird die Ventilklappe 1, wie in 2b gezeigt, teilweise geöffnet, indem die Ventilwelle 3 gedreht wird. Beispielsweise kann die Ventilwelle 3 mittels eines Elektromotors angetrieben werden.In order to allow a certain fluid flow, the valve flap 1 , as in 2 B shown partially opened by the valve shaft 3rd is rotated. For example, the valve shaft 3rd are driven by an electric motor.

Zusammen mit der Ventilwelle 3 bewegen sich die mit der Ventilwelle 3 über die Verbindungseinrichtungen 5a, 5b fest verbundenen äußeren Verschlusselemente 6a, 6b, so dass die Ventilklappe 1 seitlich geöffnet wird. Das innere Verschlusselement 7 verbleibt hingegen im geschlossenen Zustand, was durch die drehbare Lagerung des inneren Verschlusselements 7 um die Ventilwelle 3 ermöglicht wird.Together with the valve shaft 3rd move with the valve shaft 3rd via the connecting devices 5a , 5b firmly connected outer closure elements 6a , 6b so the valve flap 1 is opened laterally. The inner closure element 7 However, remains in the closed state, which is due to the rotatable mounting of the inner closure element 7 around the valve shaft 3rd is made possible.

Die Halteelemente 8a, 8b entspannen sich teilweise und bewirken, dass das innere Verschlusselement 7 in der geschlossenen Position verbleibt und sich nicht ebenfalls öffnet.The holding elements 8a , 8b partially relax and cause the inner closure element 7 remains in the closed position and does not open.

Soll die Ventilklappe 1 noch weiter geöffnet werden (2c), wird die Ventilwelle 3 weiter gedreht, so dass der Mitnehmer 9 in das innere Verschlusselement 7 eingreift, dieses mitnimmt und somit ebenfalls dreht. Die Halteelemente 8a, 8b und der Mitnehmer 9 sorgen dabei für eine definierte Position des inneren Verschlusselements 7 gegenüber den äußeren Verschlusselementen 6a, 6b.Should the valve flap 1 be opened even further ( 2c ), the valve shaft 3rd rotated further so that the carrier 9 in the inner closure element 7 intervenes, takes it along and thus also rotates. The holding elements 8a , 8b and the driver 9 ensure a defined position of the inner closure element 7 compared to the outer closure elements 6a , 6b .

Ein weiterer Vorteil der Ventilklappe 1 sind die realisierbaren geometrischen Abmessungen der Verschlusselemente 6a, 6b, 7, falls z. B. in der ersten Öffnungsstufe (2b) 50 % des Ventilquerschnitts geöffnet werden sollen. Bei einem beispielhaften Durchmesser der Verschlussfläche 11 von 40 mm ergeben sich daraus ein inneres Verschlusselement 7 mit einer Breite von 16 mm und äußere Verschlusselemente 6a, 6b mit einer Breite von jeweils 12 mm (Breite entspricht der Abmessung entlang der Querschnittslinie A - A). Demgegenüber wären bei 50 % Öffnung des Ventils der GB 905 704 A eine innere Ventilplatte mit 28 mm Durchmesser und ein äußerer Ventilring mit lediglich 6 mm Breite erforderlich. Eine annähernd gleich breite Ausbildung der Verschlusselemente 6a, 6b, 7 verbessert die Regelbarkeit des Fluiddurchflusses, insbesondere in der zweiten Öffnungsstufe ( 2c).Another advantage of the valve flap 1 are the realizable geometric dimensions of the closure elements 6a , 6b , 7 , if z. B. in the first opening stage ( 2 B) 50% of the valve cross section should be opened. With an exemplary diameter of the closure surface 11 of 40 mm, this results in an inner closure element 7 with a width of 16 mm and outer closure elements 6a , 6b each with a width of 12 mm (width corresponds to the dimension along the cross-section line A - A). In contrast, the valve would open at 50% GB 905 704 A an inner valve plate with a 28 mm diameter and an outer valve ring with a width of only 6 mm are required. An approximately equally wide design of the closure elements 6a , 6b , 7 improves the controllability of the fluid flow, especially in the second opening stage ( 2c ).

3a zeigt die Ventilklappe 1 der 1 angeordnet in einem Strömungskanal 2, wobei die Ventilklappe 1 den Strömungskanal 2 vollständig verschließt. Der Strömungskanal 2 weist einen kreisrunden Querschnitt auf, zu dem korrespondierend die Verschlussfläche 11 der Ventilklappe 1 ausgebildet ist. 3a shows the valve flap 1 of the 1 arranged in a flow channel 2nd , the valve flap 1 the flow channel 2nd completely closed. The flow channel 2nd has a circular cross-section to which the closure surface corresponds 11 the valve flap 1 is trained.

Die Ventilwelle 3 der Ventilklappe 1 ist in der Wandung 4 des Strömungskanals 3 drehbar gelagert und mit einem als Elektromotor ausgebildeten Aktor 13 verbunden, mit dem die Ventilwelle angetrieben, d. h. gedreht werden kann. Der Aktor 13 kann signalübertragend mit einer Steuereinheit (nicht dargestellt) verbunden sein, so dass die Bewegung der Ventilwelle 3 gesteuert bzw. geregelt werden kann. Der Strömungskanal 2, die Ventilklappe 1 und der Aktor 13 bilden zusammen das Ventil 12. Das Ventil 12 kann beispielsweise als AGR-Ventil ausgebildet sein.The valve shaft 3rd the valve flap 1 is in the wall 4th of the flow channel 3rd rotatably mounted and with an actuator designed as an electric motor 13 connected with which the valve shaft can be driven, ie rotated. The actuator 13 can be signal-transmitting connected to a control unit (not shown), so that the movement of the valve shaft 3rd can be controlled or regulated. The flow channel 2nd , the valve flap 1 and the actuator 13 together form the valve 12th . The valve 12th can for example be designed as an EGR valve.

Zur konkreten Ausgestaltung und Funktionsweise der Ventilklappe 1 wird auf die Ausführungen zu den 1 sowie 2a - 2c verwiesen.For the specific design and functionality of the valve flap 1 will refer to the comments on the 1 as well as 2a - 2c referred.

3b zeigt das Ventil 12 der 3a in einer Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A in Blickrichtung der in 3a eingezeichneten Pfeile. 3b shows the valve 12th of the 3a in a cross-sectional view along the line AA in the direction of the in 3a drawn arrows.

In den 3a und 3b sind aus Gründen der vereinfachten Darstellung die Ventilsitze in der Wandung 4 des Strömungskanals 2 nicht dargestellt. Die Ventilsitze können ringförmig ausgebildet sein und sind jeweils gegenüberliegend zu den Verbindungseinrichtungen 5a, 5b angeordnet.In the 3a and 3b are the valve seats in the wall for the sake of simplicity 4th of the flow channel 2nd not shown. The valve seats can be ring-shaped and are opposite each other to the connecting devices 5a , 5b arranged.

BezugszeichenlisteReference list

11: VentilklappeValve flap
22nd: StrömungskanalFlow channel
33rd: VentilwelleValve shaft
44th: WandungWall
5a, 5b5a, 5b: VerbindungseinrichtungConnecting device
6a, 6b6a, 6b: äußeres Verschlusselementouter closure element
77: inneres Verschlusselementinner closure element
8a, 8b8a, 8b: HalteelementHolding element
99: MitnehmerCarrier
1010th: KanteEdge
11 11: VerschlussflächeClosure surface
1212th: VentilValve
1313: AktorActuator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

GB 905704 A [0005, 0056]
DE 69810184 T2 [0006]
DE 1890465 U [0007]
WO 2017/005416 A1 [0008]
JP 2001349453 A [0008]
KR 1020110054966 A [0008]

Claims

Valve flap (1) for controlling a fluid flow through a flow channel (2), comprising: - A valve shaft (3) for the movable mounting of the valve flap (1) in a wall (4) of the flow channel (2), two outer closure elements (6a, 6b) arranged on opposite sides of the valve shaft (3) and connected to the valve shaft (3) by means of a connecting device (5a, 5b), - an inner closure element (7) rotatably mounted around the valve shaft (3), - Holding elements (8a, 8b), designed to apply a force to the inner closure element (7) by means of the connecting devices (5a, 5b) and - A driver (9) rigidly connected to the valve shaft (3), designed to take the inner closure element (7) in certain rotational positions of the valve shaft (3), the outer closure elements (6a, 6b) and the inner closure element (7) together form a closure surface (11).

Valve flap (1) after Claim 1 , wherein the connecting devices (5a, 5b) are arranged on opposite sides of the closure elements (6a, 6b, 7).

Valve flap (1) according to one of the preceding claims, wherein the mutually facing edges (10) of the outer closure elements (6a, 6b) and the inner closure element (7) are complementarily chamfered.

Valve flap (1) according to one of the preceding claims, wherein the inner closure element (7) is rotatably mounted about the valve shaft (3) by means of a roller bearing or a sliding bearing.

Valve flap (1) according to one of the preceding claims, wherein the outer closure elements (6a, 6b) are connected in an articulated manner to the respective connecting device (5a, 5b).

Valve flap (1) according to one of the preceding claims, wherein the outer closure elements (6a, 6b) and the inner closure element (7) together form a circular closure surface (11) and wherein at least one of the outer closure elements (6a, 6b) a circular segment of the closure surface (11) forms.

Valve flap (1) according to one of the preceding claims, wherein the holding elements (8a, 8b) are designed as spring elements.

Valve (12) with a valve flap (1) according to one of the preceding claims.

Valve (12) after Claim 8 , designed as an exhaust gas recirculation valve.