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Die Erfindung betrifft eine elektronisch betriebene Abgasanlage mit einem Klappensystem. Anwendbar ist die Erfindung insbesondere für Großfahrzeuge, z. B. Kettenfahrzeuge, bei welchen zum Zweck der Lärmminderung das Abgas durch Verschließen des Abgasrohres durch einen parallel dazu verlaufenden, kleineren Bypass gepresst werden kann.
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Klappen in Kfz-Abgasanlagen sind seit langem bekannt, wobei regelmäßig das Ziel steht, den Abgasgegendruck zu regulieren und den Abgasstrom zu steuern. Derartige Abgasklappeneinrichtungen sind z. B. in
DE 10 2004 040 818 A1 und
US 2005 / 0 109 024 A1 beschrieben. Eine von einem Elektromagneten über ein Hebelgestänge verstellbare Drosselklappe zur Verkürzung der Warmlaufzeit einer Brennkraftmaschine ist in
DE 23 02 467 A offenbart. Eine Drosselsteuerung für eine Brennkraftmaschine, die das Drosselventil bei Ausfall der regelnden Drosselsensoren mechanisch ein eine Notbetriebsstellung bringt, ist aus
DE 198 06 996 A1 bekannt.
DE 41 21 890 A1 zeigt eine Stellvorrichtung für eine Drosselklappe, die es erlaubt, die Drosselklappe von einem Elektromotor angetrieben in zwei Drehrichtungen zu drehen.
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Die mit der vorliegenden Erfindung benannte Aufgabe wird von keiner der vorstehend genannten Schriften gelöst oder angeregt; das gilt auch für den sonstig bekannten Stand der Technik.
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In jüngerer Zeit dienen Abgasklappen vordergründig auch dazu, die Geräusche der Abgasanlage eines Fahrzeuges nachhaltig zu beeinflussen, insbesondere zu reduzieren.
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Hierfür kommen die Abgasklappen bevorzugt in Abgasanlagen, die über ein Bypass-System verfügen, zum Einsatz. Eine derartige Abgasanlage ist in
DE 20 2005 001 197 U1 beschrieben. Wird das Abgas durch Schließen der Abgasklappe durch einen kleinen in der Abgasanlage befindlichen Bypass gepresst, so wird die Geräuschemission erheblich gedrosselt und das Fahrzeug kann sich nahezu geräuschlos bewegen. In diesem Modus wird allerdings die Leistung des Fahrzeugantriebes aufgrund dieser Verengung auf ein Minimum gedrosselt.
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Um im Falle eines Ausfalls der Fahrzeugelektronik eine Weiterfahrt mit voller Leistung zu gewährleisten, ist eine Ausfallsicherung, d. h. eine sog. „Failsafe“-Funktion, für die Abgasanlage enorm wichtig. Diese Ausfallsicherung muss zuverlässig greifen und in Sekundenschnelle schalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage mit einem Klappensystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Großfahrzeuge, bereitzustellen, die ein unverzügliches Umschalten zwischen leisem und Normalbetrieb des Fahrzeugs ermöglicht, wobei sichergestellt werden soll, dass im Falle des Ausfalls der Stromversorgung im Fahrzeug stets die volle Motorleistung zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe wird durch eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß der Offenbarung umfasst die Abgasanlage mit einem Klappensystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Großfahrzeuge (z. B. Panzer), ein Abgasrohr, in dem eine mittels einer radial aus dem Abgasrohr geführten, d. h. senkrecht zur Längsachse des Abgasrohres ausgerichteten, Welle drehbare Klappe angeordnet ist, wobei die Klappe in einer vorgegebenen Drehstellung den Innenquerschnitt des Abgasrohres im Wesentlichen verschließt. Die Klappe wird über ein mechanisches Federgestänge mit einem Elektromotor verbunden, sodass der Elektromotor die Klappe zwischen den beiden Drehstellungen „offen“ und „geschlossen“ hin und her drehen kann.
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Diese Verbindung von Elektromotor zu Klappe erfolgt, indem die Welle drehbar mit einem Gestänge an einer Position zwischen den beiden Endbereichen des Gestänges verbunden ist. Das Gestänge weist an seinem ersten Endbereich eine Vorspannfeder und an seinem zweiten Endbereich eine Zugfeder auf. An denjenigem Endbereich des Gestänges, an dem die Vorspannfeder angeordnet ist, ist das Gestänge über die Vorspannfeder, ein Pleuel, ein (vorzugsweise untersetzendes) Getriebe und eine elektromechanische Kupplung mit dem Elektromotor verbunden.
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Die elektromechanische Kupplung greift direkt an der Antriebswelle des Elektromotors an. Durch Anlegen eines Stromes an die elektromechanische Kupplung wird sie geschlossen, sodass eine kraftschlüssige Verbindung zur Elektromotor-Antriebswelle hergestellt ist. Im stromlosen Zustand öffnet die Kupplung, wodurch eine mechanische Trennung von Elektromotor und Kupplung und somit zwischen Elektromotor und der Klappe erfolgt.
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Die am zweiten Endbereich des Gestänges angeordnete Zugfeder übt auf die Welle an der Klappe ein Drehmoment zur Drehung der Klappe in eine Position zur Öffnung des Abgasrohres aus. Hierdurch wird die Drehung der Klappe in die Drehposition „offen“ bei stromlosem Zustand der elektromechanische Kupplung, z. B. bei Stromausfall, garantiert.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist die mechanisch realisierte „Failsafe“-Funktion, wodurch sich im Ernstfall, d. h., wenn es zu einem elektronischen Ausfall kommt, das Fahrzeug schnell bei voller Leistung bewegen kann. Durch den Antrieb der Klappe mit einem - über ein Getriebe untersetzten - Elektromotor ist zudem eine Drehung der Klappe zwischen den beiden Positionen „offen“ bzw. „geschlossen“ in etwa einer Sekunde möglich, wodurch ein vergleichsweise schnelles Umschalten zwischen den Fahrzeugbetriebsmodi „Schleichfahrt“ und „Normalfahrt“ ermöglicht ist.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Klappe in Grafitbuchsen drehbar gelagert ist. Hierdurch sind die Drehlager auch bei Temperaturen von 600 °C - einer üblichen Temperatur von Abgasanlagen während des Fahrzeugbetriebs - voll funktionsfähig.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Gestänge an seinem zweiten Endbereich, insbesondere mit der Zugfeder, über einen Kragträger mit dem Abgasrohr mittel- oder unmittelbar starr verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Stromzuleitungen zum Elektromotor mittels zweier Mikroschalter (für jede Drehrichtung des Motors ein dedizierter Mikroschalter) unterbrechbar, sodass durch Betätigung jedes der Mikroschalter der Elektromotor gestoppt wird. Hierbei wird mit oder nach dem Unterbrechen der Stromzuleitungen deren Polarität vertauscht, wodurch die Drehrichtung des Elektromotors (bei Wiederanlegen eines Stromes an den Elektromotor) umgedreht wird.
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Optional ist an der Antriebswelle des Elektromotors eine elektrisch betriebene Zusatzbremse angeordnet, die - nachdem der Elektromotor stromlos geschalten wurde - eine Drehung der Antriebswelle (insbesondere verursacht durch die Federkraft der Zugfeder am Gestänge) unterbindet, sodass die Klappenposition unverändert bleibt. Aufgrund des zwischen Antriebswelle und Gestänge zwischengeschalteten Untersetzungsgetriebes reicht eine vergleichsweise geringe Bremskraft an der Antriebswelle aus, sodass für den Betrieb der Zusatzbremse nur ein geringer Strombedarf erforderlich ist.
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Eine Ausgestaltung der Abgasanlage sieht vor, dass sie eine mit dem Pleuel mittel- oder unmittelbar verbundene Nockenwelle aufweist, die mit den beiden Mikroschaltern in Betätigungseingriff steht, wobei ein erster der Mikroschalter ausgelöst wird, wenn die Klappe in eine Position zur maximalen Öffnung des Abgasrohres gedreht ist, und ein zweiter der Mikroschalter ausgelöst wird, wenn die Klappe in eine Position zur Schließung des Abgasrohres gedreht ist.
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Weiter kann vorgesehen werden, dass ein elektrisches und/oder optisches Signal auslösbar ist, wenn die Klappe in eine Position zur maximalen Öffnung des Abgasrohres und/oder in eine Position zur Schließung des Abgasrohres gedreht ist. Dieses Signal, z. B. das Ein- bzw. Ausschalten von Lämpchen, kann von den o.g. Mikroschaltern oder zusätzlichen Mikroschaltern ausgelöst werden.
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Zudem kann vorgesehen sein, die Welle über eine Pleuelplatte drehbar mit dem Gestänge zu verbinden. Hierbei kann die Pleuelplatte zwei nasenartige Ausbuchtungen aufweisen, wobei eine erste der Ausbuchtungen bei geöffnetem Zustand der Klappe an einem mit dem Abgasrohr verbundenen Stoppelement anstößt und die zweite Ausbuchtung bei geschlossenem Zustand der Klappe an dem Stoppelement anliegt.
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Die Abgasanlage kann einen sog. Bypass für den Abgasrohrbereich mit der Klappe umfassen, d. h. an jeweils einer Position in Durchströmrichtung vor und hinter der Klappe ist ein Nebenrohr fluidisch mit dem Abgasrohr verbunden, wobei das Nebenrohr einen gegenüber dem Abgasrohr verkleinerten Durchmesser aufweist. Bei geschlossener Klappe strömt somit das Abgas nur durch den Bypass, wodurch eine deutliche Lärmminderung eintritt. Dieses Nebenrohr, d. h. der Bypass, kann zusätzlich einen oder mehrere Schalldämpfer aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gestänge in seiner Länge verstellbar. Hierzu kann es ein Spannschloss aufweisen. Somit sind in vorteilhafter Weise die Länge und Position der mechanischen Verbindung zwischen Klappe und Elektromotor justierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
- 1: eine Abgasanlage mit Querschnitt durch das Abgasrohr im Bereich der Klappe;
- 2: eine Schrägdraufsicht auf die Abgasanlage;
- 3: eine Draufsicht auf eine Abgasanlage mit Bypass; und
- 4: den Elektromotor mit Kupplung, Getriebe und Nockenwelle.
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Die Abgasanlage gemäß 1 umfasst das Abgasrohr 1, in dem die Klappe 2 drehbar angeordnet ist. Als Lager für die Klappe 2 dient die Grafitbuchse 15. Das Gestänge 4 verbindet die Klappe 2 über die Vorspannfeder 5 und das Pleuel 7 mit einem Elektromotor (nicht dargestellt), der zusammen mit einem Getriebe (nicht dargestellt) in dem Gehäuse 8 untergebracht ist.
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Auf der rechten Seite der 1 ist die am Gestänge 4 angeordnete Zugfeder 6 zu sehen, die über den Kragträger 9 fest mit dem Abgasrohr 1 verbunden ist. Das Spannschloss 14 dient der individuellen Anpassung der Länge des Gestänges 4.
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In der 2 ist zur besseren Verdeutlichung die Abgasanlage der 1 aus einer anderen Perspektive dargestellt. Das Gestänge 4 ist über die Pleuelplatte 10 mit der Welle 3 der Klappe 2 verbunden. Eine translatorische Bewegung des Gestänges 4 führt somit zu einer Rotationsbewegung der Welle 3 und somit der Klappe 2. Die Pleuelplatte 11 weist Ausbuchtungen auf, die bei Erreichen der jeweiligen Endposition der Klappe 2 an das Stoppelement 11 anstoßen.
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3 zeigt eine Abgasanlage mit Bypass. Das den Bypass bildende Nebenrohr 12 ist an einer Position vor und einer Position hinter der Klappe 2 (in 3 nicht zu sehen) mit dem Abgasrohr 1 fluidisch verbunden. Für eine zusätzliche Reduzierung des von der Abgasanlage emittierten Schalls sind die Schalldämpfer 13 auf dem Nebenrohr 12 vorgesehen.
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Gemäß 4 ist an der Antriebswelle 17 des Elektromotors 16 die elektromechanische Kupplung 18 angeordnet. Über das Getriebe 19 wird die Nockenwelle 20 angetrieben, deren Nocken die Mikroschalter 21 betätigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasrohr
- 2
- Klappe
- 3
- Welle
- 4
- Gestänge
- 5
- Vorspannfeder
- 6
- Zugfeder
- 7
- Pleuel
- 8
- Gehäuse
- 9
- Kragträger
- 10
- Pleuelplatte
- 11
- Stoppelement
- 12
- Nebenrohr
- 13
- Schalldämpfer
- 14
- Spannschloss
- 15
- Grafitbuchse
- 16
- Elektromotor
- 17
- Antriebswelle
- 18
- elektromechanische Kupplung
- 19
- Getriebe
- 20
- Nockenwelle
- 21
- Mikroschalter
