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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse, in dem ein Kanal ausgebildet ist, einem Ventilsitz, der im Kanal angeordnet ist und der einen Durchströmungsquerschnitt begrenzt, einem Regelkörper, der zur Regelung des Durchströmungsquerschnitts auf den Ventilsitz absenkbar ist und zumindest teilweise vom Ventilsitz weg schwenkbar ist, einer drehbaren Welle, über die der Regelkörper schwenkbar ist, und einem Koppelglied, über welche der Regelkörper mit der Welle gekoppelt ist.
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Derartige Ventilvorrichtungen werden in Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise zur Regelung eines Abgasstroms im Abgasstrang verwendet. Zu Herstellung eines dichten Verschlusses ist es beispielsweise bekannt, Regelkörper mit einem Kolbenring zu verwenden, der gegen die umliegende Wandfläche beziehungsweise Ventilsitzfläche anliegt, um eine ausreichende Dichtigkeit zu gewährleisten.
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Alternativ sind Ventilvorrichtungen bekannt geworden, die einen klappenförmigen Regelkörper aufweisen, und bei denen zur Herstellung eines dichten Verschlusses des Kanals eine linienförmige Berührung zwischen dem Ventilsitz und dem Regelkörper bei Auflage des Regelkörpers auf dem Ventilsitz hergestellt wird, indem der Regelkörper an seinem Klappenrand mit einem Radius ausgeführt wird, während der Ventilsitz konisch beziehungsweise kegelstumpfförmig ausgebildet wird. Bei korrekter Auslegung der Anstellwinkel des Ventilsitzes und des Radius des Klappenrandes kann dann zur Regelung des Abgasstroms der Regelkörper durch Drehung der Welle der mit der Welle gekoppelte Regelkörper vom Ventilsitz weggedreht beziehungsweise auf dem Ventilsitz zurückgedreht werden. Der Kanal kann als gerader Kanal ausgeführt werden, dessen Mittelachse vor und hinter dem Ventilsitz zumindest parallel verläuft. So kann auf die Montage von zusätzlichen Dichtringen verzichtet werden.
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Eine ähnliche solche Ventilvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 11 2014 006 032 T5 bekannt. Der Klappenkörper dieses Ventils ist doppelt exzentrisch zur Drehachse angeordnet und weist einen konisch geformten Klappenrand auf, der exakt zum gleichermaßen konisch geformten Ventilsitz korrespondieren muss, um eine ausreichende Dichtigkeit zu gewährleisten.
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Des Weiteren ist aus der
EP 1 657 424 A2 eine Abgasrückführvorrichtung bekannt, bei der eine Seitenmantelfläche des Regelkörpers, die auf einen kegelstumpfförmig geformten Ventilsitz aufsetzbar ist, kugelschnittförmig ausgebildet ist, um einen dichten Verschluss zu erhalten. Der Regelkörper ist über ein Koppelglied mit einer Drehwelle verbunden, so dass durch Drehung der Welle der Regelkörper auf den Ventilsitz geschwenkt werden kann oder von diesem weggeschwenkt werden kann.
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Bei den bekannten Ausführungen von Ventilvorrichtungen besteht jedoch der Nachteil, dass der Herstell- und/oder Montageaufwand sehr hoch ist, da entweder eine zusätzliche Dichtung zu montieren ist oder eine sehr genaue Montage und Herstellung mit geringen Toleranzen erforderlich ist oder eine aufwendige Lagerung der Klappen vorzusehen ist, um bei auftretenden Pulsationen Schäden an den Lagern zu vermeiden.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine bereit zu stellen, welche einerseits kostengünstig herzustellen und zu montieren ist und dennoch eine hohe Dichtigkeit gewährleistet. Auch der Druckverlust im System ist möglichst gering zu halten. Zusätzliche Belastungen durch auftretende Schwingungen an der Ventilvorrichtung sind ebenfalls zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass der Radius des Regelkörpers von einer Symmetrieachse des Regelkörpers bis zu einem Regelkörperrand, mit dem der Regelkörper im geschlossenen Zustand auf dem Ventilsitz aufliegt, einem Abstand zwischen einer Drehachse der Welle und dem Ventilsitz entspricht, besteht während der gesamten Drehung des Regelkörpers eine Berührung zwischen dem Ventilsitz und dem Regelkörper, so dass dieser am Ventilsitz geführt wird. Dies führt zu einer großen Unempfindlichkeit gegen auftretende Schwingungen von außen oder Pulsationen des zu regelnden Mediums. Somit werden die verwendeten Lager geschont, so dass auch eine einseitige Lagerung der Welle ermöglicht wird. Somit können Herstell- und Montagekosten reduziert werden.
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Vorzugsweise ist der Ventilsitz kegelstumpfförmig ausgebildet und der Regelkörperrand, mit dem der Regelkörper im geschlossenen Zustand auf dem Ventilsitz aufliegt, ist sphärisch geformt. Dabei ist unter sphärisch geformt zu verstehen, dass es sich um eine kugelschnittform handelt. Alternativ zu dem Begriff kegelstumpfförmig kann auch der Begriff konisch verstanden werden. Durch diese Formgebungen wird im geschlossenen Zustand immer eine umlaufende Linienberührung des Regelkörpers am Ventilsitz erreicht und somit ein dichter Verschluss des Durchströmungsquerschnitts durch den auf dem Ventilsitz aufliegenden Regelkörper sichergestellt.
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Vorteilhafterweise weisen das Koppelglied und der Regelkörper eine gemeinsame Symmetrieachse auf, welche die Drehachse der Welle schneidet, wodurch die Herstellung und Montage erleichtert wird und Fehler bei der Montage vermieden werden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Regelkörper relativ zur Welle beweglich ist und eine Feder den Regelkörper in einer von der Welle wegweisenden Richtung belastet. Durch die Ausführung können Toleranzen ausgeglichen werden, so dass ein Hängenbleiben wegen ungenauer Fertigung oder Montage vermieden wird. Dennoch wird der stetige Kontakt des Regelkörpers mit dem Ventilsitz während der gesamten Drehung des Regelkörpers sichergestellt. Somit wird eine Übertragung vorhandener Schwingungen auf den Regelkörper und damit auf die Lager oder die anderen gekoppelten Bauteile, die zu einer erhöhten Belastung führen, vermieden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder zwischen dem Regelkörper und der Welle angeordnet und umgibt eine als Koppelglied dienende Koppelstange, wodurch die Feder geführt wird und gegen ein Abknicken geschützt ist. Des Weiteren kann die Druckkraft ohne zusätzliche Absätze vorsehen zu müssen direkt aufgebracht werden.
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In einer hierzu weiterführenden Ausbildung ist der Regelkörper auf der Koppelstange translatorisch verschiebbar gelagert und an der Koppelstange ist ein Anschlag ausgebildet, der an der zur Welle entgegengesetzten Seite des Regelkörpers ausgebildet ist. So kann auf besonders einfache Weise der Toleranzausgleich vorgenommen werden und die ständige Berührung des Regelkörpers am Ventilsitz sichergestellt werden.
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In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist die Koppelstange in einer Querbohrung der Welle translatorisch bewegbar gelagert und an der Koppelstange ist ein Anschlag ausgebildet, der an der zum Regelkörper entgegengesetzten Seite der Welle ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung wird der Toleranzausgleich weiterhin sehr einfach verwirklicht, jedoch wird die Montage vereinfacht, da die Koppelstange nicht mehr an der Welle befestigt werden muss. Der Anschlag ist so in einem gut zugänglichen Bereich angeordnet.
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Eine besonders einfache Verwirklichung des Anschlags ergibt sich, wenn der Anschlag der Koppelstange durch eine Mutter gebildet ist, die auf ein Gewinde der Koppelstange gedreht ist. Eine derartige Ventilvorrichtung ist kostengünstig und einfach herstellbar und montierbar.
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Des Weiteren können die Herstell- und Montagekosten reduziert werden, indem die Welle einseitig im Strömungsgehäuse gelagert ist. Dies wird durch das geführte Gleiten des Regelkörpers am Ventilsitz ermöglicht, wodurch Biegespannungen am Lager vermieden werden.
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Vorzugsweise ist der Durchströmungsquerschnitt des Kanals an der zur Welle weisenden Seite des Ventilsitzes größer als der Durchströmungsquerschnitt am Ventilsitz und die Durchströmungsrichtung stromaufwärts und stromabwärts des Ventilsitzes ist gleichgerichtet. Dabei können die Mittelachsen stromaufwärts des Ventilsitzes und stromabwärts des Ventilsitzes entweder gleich sein oder leicht versetzt parallel zueinander verlaufen. Hierdurch wird lediglich ein sehr geringer Bauraum benötigt und der Druckverlust reduziert, so dass die Strömungsraten erhöht werden. Durch die Vergrößerung des Durchströmungsquerschnitts wird sichergestellt, dass der Regelkörper im Kanal drehbar ist.
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In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist die Vergrößerung des Durchströmungsquerschnitts des Kanals an der zur Welle weisenden Seite des Ventilsitzes durch einen Freischnitt gebildet, welcher an der Seite des Strömungsgehäuses ausgebildet ist, zu der der Regelkörper drehbar ist. Entsprechend wird der Kanal in Abhängigkeit des Regelkörpers bearbeitet, während die übrige Kanalwand unverändert bleibt. So werden die Querschnittssprünge auf ein Minimum reduziert.
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Es wird somit eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche große Durchflüsse bei geringen Druckverlusten ermöglicht und eine große Dichtigkeit aufweist. Der benötigte Bauraum sowie der Montage- und Herstellaufwand werden reduziert, indem über den gesamten Schwenkbereich der Regelkörper am Ventilsitz geführt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschriebe.
- Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung mit einem Regelkörper, der sich in einer den Kanal verschließenden Position befindet, in geschnittener Darstellung.
- Die 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung aus 1 mit einem Regelkörper, der sich in einer den Kanal vollständig öffnenden Position befindet, in geschnittener Darstellung.
- Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung der 1 mit einem Regelkörper, der sich in einer den Kanal teilweise öffnenden Position befindet.
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Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung weist ein Strömungsgehäuse 10 auf, welches einen durchströmbaren Kanal 12 begrenzt. Im Strömungsgehäuse 10 ist ein Absatz 14 ausgebildet, gegen den ein als Ventilsitz 16 dienender Ring 17 anliegt, welcher einen zu regelnden Durchströmungsquerschnitt 18 radial begrenzt. Der Ventilsitz 16 weist eine Kegelstumpfform auf.
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Im Strömungsgehäuse 10 ist eine Öffnung ausgebildet, in der ein Lager angeordnet ist, durch welches eine Welle 20 vom Inneren des Strömungsgehäuses 10 nach außen ragt, wo die Welle 20 mit einem Aktor verbunden ist, über den die Welle 20 gedreht werden kann.
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Die Welle 20 weist an ihrem in den Kanal 12 ragenden Ende eine Querbohrung 22 auf, durch die eine als Koppelglied 24 dienende Koppelstange ragt, an deren ersten aus der Querbohrung 22 ragenden Ende ein Gewinde 26 ausgebildet ist, auf welches eine Mutter 28 und eine Kontermutter 29 gedreht sind, wobei die Mutter 28 als Anschlag 30 dient und gegen eine Abflachung 32 an der Welle 20 anliegt.
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Am entgegengesetzten Ende der Koppelstange 24 ist ein Regelkörper 34 befestigt, der im Wesentlichen tellerförmig ausgebildet ist und eine gemeinsame Symmetrieachse 36 mit der Koppelstange 24 aufweist, welche eine Drehachse 38 der Welle 20 schneidet. Ein Regelkörperrand 40 des Regelkörpers 34, der den Regelkörper 34 radial begrenzt ist zumindest teilweise sphärisch oder kugelschnittförmig gestaltet. Mit diesem Regelkörperrand 40 liegt der Regelkörper 34 in einem den Kanal 12 verschließenden Zustand vollständig auf dem kegelstumpfförmigen Ventilsitz 16 auf, so dass eine umlaufende Linienberührung und damit eine umlaufende Abdichtung geschaffen wird.
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Die Koppelstange 24 ist von einer als Schraubenfeder ausgebildeten vorgespannten Feder 42 umgeben, deren erstes Ende gegen die Welle 20 anliegt und deren zweites Ende gegen eine Anlagefläche 44 am Regelkörper 34 anliegt. Es handelt sich bei der Feder um eine Druckfeder, über welche der Regelkörper 34 in einer von der Welle 20 wegweisenden Richtung belastet wird. Die Koppelstange 24 ist in der Querbohrung 22 translatorisch verschiebbar, so dass durch die Feder 42 die Mutter 28 gegen die Abflachung 32 der Welle 20 gedrückt wird, wodurch die translatorische Bewegung der Koppelstange 24 und damit des Regelkörpers 34 eingegrenzt wird.
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Ein Radius R des Regelkörpers 34 entspricht erfindungsgemäß einem Abstand A der Drehachse 38 der Welle 20 und einer durch den Ventilsitz 16 aufgespannten Ebene. Dies führt dazu, dass bei Drehung der Welle 20 der Regelkörper 34 bis zur vollständig den Durchströmungsquerschnitt 18 freigebenden Stellung am Ventilsitz 16 entlang gleitet, diesen also immer berührt.
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Da bei der Drehung der Welle 20 der Regelkörper 34 in den meisten Stellungen radial über den Rand des Ventilsitzes 16 hinausragt, ist der Kanal 12 mit einem entsprechend geformten Freischnitt 46 ausgebildet, der ein freies Verschwenken des Regelkörpers 34 ermöglicht. Entsprechend ist der zur Verfügung stehende Durchströmungsquerschnitt an der Seite des Ventilsitzes 16, an der die Welle 20 in den Kanal 12 ragt, größer als an der entgegengesetzten Seite, so dass auch der Absatz 14 so gewählt wird, dass der den Ventilsitz 16 bildende Ring von der Seite in das Strömungsgehäuse 10 und gegen den Absatz 14 geschoben wird, an dem die Welle 20 in den Kanal 12 ragt. Dennoch bleibt die Durchströmungsrichtung gleich, so dass Druckverluste durch Umlenkungen reduziert werden.
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Bei Drehung der Welle 20 und damit Verschwenken des Regelkörpers 34 vom Ventilsitz 16 wird der Regelkörper 34 von der Feder 42 unter anderem immer in Richtung des Ventilsitzes 16 belastet und liegt somit immer an diesem auf. Bei der Bewegung entsteht somit ein Schleifen des Regelkörperrandes 40 am Ventilsitz 16.
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Unabhängig von auftretenden Druckpulsationen, wie sie im Abgastrakt entstehen, wird somit eine Anlage des Regelkörpers am Ventilsitz aufrechterhalten, wodurch auftretende Biegekräfte am Lager oder auf das Lager wirkende Wechselkräfte vermieden werden. Bei vollständiger Öffnung des Ventils steht beinahe der gesamte Durchströmungsquerschnitt am Ventilsitz auch im weiteren Verlauf zur Verfügung, so dass diese Ventilvorrichtung sehr große Volumenströme bei kleinem Bauraum ermöglicht. Durch den Ausgleich vorhandener Montage- oder Herstelltoleranzen aufgrund der Verschiebbarkeit des Regelkörpers zur Welle wird eine hohe Dichtigkeit erreicht, da der Regelkörper auf den Ventilsitz gepresst wird. Auch können hierdurch die Fertigungskosten reduziert werden, da mit ungenaueren Toleranzen gefertigt werden kann und die Montagekosten reduziert werden, da die Anzahl der benötigten Teile beispielsweise durch die einseitige Lagerung verringert wird.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. So kann beispielsweise die Verschiebbarkeit des Regelkörpers zur Welle anders realisiert werden oder gegebenenfalls ganz entfallen. Auch muss das Koppelglied nicht zwangsweise als Koppelstange ausgeführt werden. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112014006032 T5 [0004]
- EP 1657424 A2 [0005]
