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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Abgasklappe für
die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Eine derartige Abgasklappe
wird üblicherweise verwendet,
um den wirksamen Strömungsquerschnitt
der Abgasanlage lastabhängig
zu verändern, insbesondere
zu verengen. Unter dem wirksamen Strömungsquerschnitt wird hier
der für
den Strömungswiderstand
der Abgasanlage maßgebliche Querschnitt
an der engsten Stelle des Abgaskanals verstanden. Letzteres kann
z. B. zur Verringerung der Schallemission des Verbrennungsmotors
erwünscht sein.
Bei der Verwendung einer Abgasklappe als Schalldämpfer stellt sich das grundsätzliche
Problem, dass aus Gründen
der Schallreduzierung der wirksame Strömungsquerschnitt möglichst
klein sein soll, andererseits die Abgasklappe der Abgasströmung im
Teil- und Volllastbereich einen möglichst geringen Strömungswiderstand
entgegenstellen soll, um die Motorleistung nicht zu beeinträchtigen.
Eine solche Abgasklappe soll weiterhin konstruktiv einfach gestaltet
sein, um die Herstellungskosten und die Verschleißanfälligkeit
gering zu halten.
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Insbesondere werden deshalb selbst
regulierende Abgasklappen eingesetzt, also solche, die sich nur
aufgrund des Staudrucks der Abgasströmung gegen eine rückstellende
Kraft in Abhängigkeit
des sich einstellenden Kräftegleichgewichts
mehr oder weniger stark öffnen.
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Im Niederlastbereich tritt bei diesen
Abgasklappen häufig
ein instabiles Betriebsverhalten auf, das zu einer Flatterbewegung
der Klappe führt.
Dies wiederum äußert sich
in störenden
Geräuschen
und einem erhöhten
Materialverschleiß.
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Der physikalische Grund für die Flatterbewegung
ergibt sich aus der Bernoulli-Gleichung
(s. z.B. C. Gerthsen, N. Kneser, H. Vogel, S. 107, 16. Aufl., Berlin,
Springer Verlag, 1989). Zwischen der im Niederlastbereich nahezu
geschlossenen Abgasklappe und der Wand eines durch die Abgasklappe
zu verschließenden Abgaskanals
tritt die Abgasströmung durch
einen Ringspalt, dessen Flächeninhalt
klein im Vergleich zum Querschnitt des Abgaskanals ist. Die Abgasströmung wird
deshalb beim Durchtritt durch diesen Austrittsspalt stark beschleunigt.
Nach den Gesetzen der Strömungslehre
entsteht im Bereich der beschleunigten Srömungsgeschwindigkeit ein Unterdruck,
der die Abgasklappe zuzieht. Die Abgasklappe dichtet also den Abgaskanal
kurzzeitig ab, wodurch der Abgasaustritt, und infolgedessen der von
ihm erzeugte Unterdruck abbricht. Unter Wirkung des Staudrucks im
Abgaskanal öffnet
sich die Abgasklappe nun erneut, und der beschriebene Vorgang beginnt
von vorne. Es ist wichtig zu erwähnen,
dass dieses Phänomen
nur bei Niederlast auftritt, also nur dann, wenn der Austrittsspalt
zwischen der Abgasklappe und dem Abgaskanal klein im Verhältnis zum Querschnitt
des Abgaskanals ist. Das ohnehin instabile Betriebsverhalten der
Abgasklappe wird zudem noch verstärkt durch vom Motor erzeugte
Druckschwankungen im Abgasstrom infolge der Abgaspulsation des Motors
sowie durch Resonanzen der Druckwellen im Abgaskanal.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
konstruktiv einfache Abgasklappe anzugeben, die im Niederlastbereich
stabil, insbesondere flatterfrei, arbeitet. Diese Aufgabe wird in
erfinderischer Weise gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist am Schließbereich
der Verschlussplatte ein Strömungsumkehrelement
vorgesehen. Als Schließbereich
wird der Teil der Verschlussplatte bezeichnet, der bei dicht geschlossener
Abgasklappe an der Wand des Abgaskanals anliegt, und der bei fast
geschlossener Abgasklappe zusammen mit der Wand des Abgaskanals
den Rand des Austrittsspalts für
den Abgasstrom bildet. Die Kanalwand umfasst dabei optional einen
am Kanalauslass angebrachten Strömungskörper. Das
Strömungsumkehrelement
ist so nah am Schließbereich
zu positionieren, dass es sich im Bereich der im Austrittsspalt
erhöhten
Strömungsgeschwindigkeit
befindet.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass das Flattern durch eine zusätzliche
Kraft verhindert werden kann, die in öffnende Richtung auf die Abgasklappe
wirkt und somit den Strömungssog im
Austrittsspalt kompensiert. Da dieser Strömungssog während der Flatterbewegung der
Abgasklappe nur periodisch puIsierend auftritt, ist es sinnvoll,
auch die kompensierende Kraft periodisch pulsierend zu gestalten.
Erkanntermaßen
ergibt sich dies automatisch, wenn die gleiche Strömung, die
den Strömungssog
erzeugt, auch zur Erzeugung der kompensierenden Kraft herangezogen
wird.
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Durch ein Strömungsumkehrelement, das im Niederlastbereich
einen Teil der Abgasströmung
umkehrt, d.h. gegenüber
seiner ursprünglichen
Richtung im Abgaskanal um mehr als 90° umlenkt, wird ein in öffnende
Richtung der Abgasklappe wirkender Impuls auf die Abgasklappe übertragen,
der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
im Austrittsspalt ist. Ein Großteil
des Strömungssogs
wird dadurch kompensiert und das Flattern der Abgasklappe auf einfache
Art vermieden.
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In den rückbezogenen Ansprüchen sind
weitere vorteilhafte und teilweise auch für sich erfinderische Ausgestaltungen
der Erfindung beansprucht.
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Eine besonders einfache Realisierung
des Strömungsumkehrelements
wird durch eine napfartige Ausbildung der Umgebung des Schließbereiches erreicht.
Vorzugsweise ist dabei der gesamte Schließbereich von einer napfartigen
Wölbung
umgeben, so dass die Abgasklappe in geschlossenem oder nahezu geschlossenem
Zustand das Ende des zu verschließenden Abgaskanals auf ähnliche
Weise umschließt
wie beispielsweise der Rand eines Marmeladenglases von dem zugehörigen Deckel
umschlossen wird. Bei nahezu geschlossener Abgasklappe wird der
zwischen der Verschlussplatte und der Kanalwand entweichende Abgasstrom
entlang der Wölbung
der Platte bezüglich
seiner ursprünglichen
Richtung im Abgaskanal um etwa 180° umgekehrt und entlang der Außenwand
des Abgaskanals zurückgeleitet.
Eine ähnliche,
wenn auch nicht so starke Wirkung wird erzielt, wenn die besagte
Wölbung
sich nur über
einen Teil der Umgebung des Schließbereiches erstreckt, der Napf
also nicht vollständig
ausgebildet ist.
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Nach Anspruch 3 ist das Strömungsumkehrelement
auf ähnlich
einfache Weise durch eine sickenartige oder nutartige Ausformung
der Verschlussplatte gebildet, in beiden Fällen also durch eine Mulde,
in deren Talsohle der Schließbereich
verläuft.
Auch in diesem Fall wird der Abgasstrom beim Entweichen aus dem
Abgaskanal durch die Formgebung der Nut oder Sicke um etwa 180° gegenüber seiner
ursprünglichen
Richtung umgelenkt, und auch hier wird ein Teil der erwünschten
Wirkung schon erzielt, wenn nur ein Teil der Umgebung des Schließbereiches
nutartig oder sickenartig ausgebildet ist.
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Nach der Lehre des Anspruchs 4 weist
die Verschlussplatte einen ebenen Boden auf, der mit dem Außenrand
der Verschlussplatte etwa in einer Ebene liegt. Dies hat den Vorteil,
dass, wie immer das Strömungsumkehrelement
im Detail geformt ist, die Verschlussplatte in grob vereinfachter
Betrachtung die Form einer ebenen Platte aufweist. Im Teil- und
Volllastbereich, wo die Abgasklappe weit geöffnet ist und die detaillierte
Formgebung in der Umgebung des Schließbereiches eine vernachlässigbare Rolle
spielt, zeigt die Abgasklappe dadurch das stabile Betriebsverhalten
einer ebenen Platte. Die Wirkung des Strömungsumkehrelements tritt dann zweckmäßigerweise
nur im Niederlastbereich in Erscheinung, wenn lediglich in der Umgebung
des Schließbereiches
eine nennenswerte Abgasströmung
besteht.
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Um die Halterung und den Öffnungsmechanismus
der Abgasklappe konstruktiv besonders einfach zu gestalten, ist
die Abgasklappe bevorzugt um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert.
Von Seiten der Abgasklappe ist dazu nach Anspruch 5 mindestens eine
mit einem Scharnierende versehene Lasche an die Verschlussplatte
angeformt. Besonders einfach zu realisieren ist dabei eine Ausführung gemäß Anspruch
6, gemäß dem zwei
von gegenüberliegenden
Seitenkanten der Verschlussplatte etwa senkrecht abstehende und
mit fluchtenden Bohrungen versehene Laschen vorgesehen sind. In
diese Ausführung
kann die Abgasklappe besonders preisgünstig durch Biegen eines Metallblechteils
hergestellt werden. Vorteilhaft ist weiterhin die Lehre des Anspruchs
7, gemäß dem das
oder jedes Scharnierende über
die Grundfläche
der Verschlussplatte hinausragt. Auf diese Weise ist die Schwenkachse
aus dem direkt angeströmten
Bereich zurückgezogen. Die
beweglichen Teile der Schwenkachse sind daher auch weniger dem unter
Umständen
heißen
und korrosiven Abgas ausgesetzt und infolgedessen weniger verschleißanfällig.
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Die Ansprüche 9 und 10 betreffen einen
Abgaskanal, der mit der beschriebenen Abgasklappe abschließbar ist.
Dabei ist die Abgasklappe nach Anspruch 9 am Ende eines Kanalabschnitts
angeordnet und gegen den Federdruck einer Rückstellfeder aus einer Schließstellung
heraus schwenkbar gelagert. Auf diese Weise ist wiederum die Schwenkachse
aus dem direkten Strömungsbereich
heraus versetzt Dadurch ist zum einen der Materialverschleiß reduziert. Zum
anderen stellt die aus dem Abgaskanal herausgezogene Schwenkachse
vorteilhafterweise keinen Strömungswiderstand
für die
Abgasströmung
dar. Mittels einer Rückstellfeder,
die die Abgasklappe in Schließstellung
vorspannt, wird auf einfache Art und Weise gewährleistet, dass die Abgasklappe
im Niederlastbereich präzise
schließt,
wodurch eine gute Lärmreduzierung
erwirkt wird. Eine einfache und Platz sparende Realisierung einer
Rückstellfeder
ist nach Anspruch 10 durch eine, die Schwenkachse umwindende Schraubenfeder
ausgebildet.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
transparenter Seitenansicht ein mittels einer Abgasklappe verschlossenes
Abschnittsende eines Abgaskanals,
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2 in
transparenter Seitenansicht die Abgasklappe gemäß 1,
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3 in
Draufsicht die Abgasklappe gemäß 1 und 2,
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4 in
einer Darstellung gemäß 1 die Abgasklappe in Niederlaststellung,
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5 in
vergrößerter Detailansicht
V gemäß 4 ein Strömungsumkehrelement
der Abgasklappe,
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6 in
einer Darstellung gemäß 5 eine alternative Ausführung des
Strömungsumkehrelements,
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7 in
einer Darstellung gemäß 5 eine alternative Ausführung der
Kanalwand am Abschnittsende des Abgaskanals,
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8 in
einer Darstellung gemäß 5 eine weitere alternative
Ausführung
der Kanalwand am Abschnittsende des Abgaskanals,
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9 in
einer Darstellung gemäß 1 die Abgasklappe in Teillaststellung
und
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10 die
Abgasklappe in Volllaststellung.
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Einander entsprechende Teile sind
in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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1 zeigt
den mittels einer Abgasklappe
1 verschlossenen Auslass
2 eines
Kanalabschnitts
3 eines Abgaskanals
4. In der
dargestellten Schließstellung
schlägt
die Abgasklappe
1 an der Kanalwand
5 an und dichtet
den Auslass
2 dadurch gegen Gasströmung ab. Der ringförmige Bereich
der Abgasklappe
1, der in Schließstellung die Kanalwand
5 berührt, ist
nachfolgend als Schließbereich
6 bezeichnet.
Die Abgasklappe
1 ist an einer außerhalb des Kanalabschnitts
3 angeordneten
Halterung
7 um eine Schwenkachse
8 schwenkbar
gelagert. Die Schwenkachse
8 ist dabei senkrecht zur Längsausdehnung
9 des
Kanalabschnitts
3 orientiert, so dass die Abgasklappe
1 vom
Auslass
2 wegschwenkbar ist. Eine Rückstellfeder
10 spannt
die Abgasklappe
1 in Schließstellung vor. Die Rückstellfeder
10 ist
dabei nach Art einer Schraubenfeder gestaltet, die die Schwenkachse
8 umwindet
und mit einem Längsende
11 an
der Halterung
7 und mit dem anderen Längsen
de
12 an der Abgasklappe
1 abgestützt ist.
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In den 2 und 3 ist die Abgasklappe 1 in Seitenansicht
bzw. in Draufsicht nochmals dargestellt. In der Zusammenschau der
beiden Figuren ist erkennbar, dass die Abgasklappe 1 eine
Verschlussplatte 13 mit einem ebenen Boden 14 umfasst,
der mit dem Rand 15 der Verschlussplatte 13 etwa
in einer Ebene liegt. Zentriert um den Schließbereich 6, mithin
also in dessen Umgebung, trägt
die Verschlussplatte 13 eine Ringsicke 16 als
Strömungsumkehrelement.
Die Ringsicke 16 ist dabei zur Innenfläche 17 der Verschlussplatte 13 hin
geöffnet.
Als In nenfläche 17 wird
dabei die Fläche
der Verschlussplatte 13 bezeichnet, die in montiertem Zustand
dem Kanalabschnitt 3 zugewandt ist.
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Die Verschlussplatte 13 weist
eine Grundfläche
in Form eines gefüllten
Hufeisens auf, also eine Fläche,
deren eines Ende halbrund und deren anderes Ende rechteckig ausgebildet
ist. Der von den beiden Ecken 18 flankierte Randbereich
der Verschlussplatte 13 ist dabei der Schwenkachse 8 zugewandt und
wird deshalb nachfolgend als Innenrand 15a bezeichnet,
der gegenüberliegende,
im abgerundeten Teil der Verschlussplatte 13 liegende Randbereich wird
entsprechend als Außenrand 15b bezeichnet. Die
an den Innenrand 15a beiderseitig angrenzenden Randbereiche
werden schließlich
als Seitenränder 15c bezeichnet.
Jeder dieser beiden Seitenränder 15c trägt eine
bezüglich
der Ebene der Verschlussplatte 13 senkrecht zur Innenfläche 17 abstehende Lasche 19,
die zur Lagerung der Abgasklappe 1 dient. Zu diesem Zweck
trägt das
von der Verschlussplatte 13 abgewandte Scharnierende 20 jeder
Lasche 19 eine Bohrung 21 zur Aufnahme der Schwenkachse 8.
Die Schwenkachse 8 ist auf diese Weise sowohl in paralleler
als auch in vertikaler Richtung versetzt zur Grundfläche der
Verschlussplatte 13 angeordnet. Dadurch ist gewährleistet,
dass sich beim Herausschwenken der Abgasklappe 1 aus der Schließstellung
der gesamte Schließbereich 6 gleichzeitig
vom Auslass 2 abhebt, und die Abgasklappe 1 in
Volllaststellung vollständig
aus dem Profil des Kanalabschnitts 3 herausgeschwenkt ist.
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Die Wirkungsweise der Abgasklappe 1 wird anhand
der nachfolgenden Figuren verdeutlicht. 4 zeigt hierbei die Abgasklappe 1 in
Niederlaststellung. Die Abgasklappe ist in dieser Stellung nahezu
geschlossen, so dass der Auslass 2 des Kanalabschnitts 3 noch
in die Ringsicke 16 der Verschlussplatte 13 eintaucht,
oder -mit anderen Worten – derart in
die Ringsicke hineinsteht, dass er durch die Verschlußplatte 13 von
drei Seiten umgeben ist. Diese Stellung der Abgasklappe 1 bezüglich des
Auslasses 2 ist in einem schematischen Schnitt in 5 vergrößert dargestellt. Insbesondere
ist in dieser Darstellung das Strömungsprofil des Abgasstroms
A durch Pfeile angedeutet. In üblicher
Darstellung stehen dabei lange Pfeile für eine hohe Strömungsgeschwindigkeit,
sowie kurze Pfeile für
eine ge ringe Strömungsgeschwindigkeit.
Demgemäß ist 5 zu entnehmen, dass im
Niederlastbereich der Abgasstrom A mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit
in Strömungsrichtung 22 gegen
die Innenfläche 17 der
Verschlussplatte 13 strömt.
Um den Kanalabschnitt 3 zu verlassen, muss der Abgasstrom
A durch den im Bereich der Ringsicke 16 zwischen der Verschlussplatte 13 und
der Kanalwand 5 gebildeten Austrittsspalt 23 entweichen.
Zumal der Strömungsquerschnitt
in diesem Austrittsspalt 23 klein ist gegen den Querschnitt des
Kanalabschnitts 3, wird der Abgasstrom A im Austrittsspalt 23 stark
beschleunigt. Infolge dieser beschleunigten Strömungsgeschwindigkeit entsteht ein
Strömungssog
S, der den Austrittsspalt 23 zu verkleinern sucht und die
Verschlussplatte 13 in Richtung ihrer Schließstellung
zieht. Zudem findet beim Durchgang des Abgasstroms A durch den Austrittsspalt 23 eine
Umkehr der Strömungsrichtung
statt. Die den Austrittsspalt 23 verlassene Rückströmung 24 ist
der ursprünglichen
Strömungsrichtung 22 im Kanalabschnitt 3 etwa
entgegengesetzt. Bei der Umlenkung übt der Abgasstrom A wiederum
eine Kompensationskraft F auf die Verschlussplatte 13 aus,
die diese aufdrückt,
und den Strömungssog
S zumindest teilweise ausgleicht. Außerhalb des Austrittsspaltes 23 verringert
sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Abgasstroms A aufgrund des nun wieder großen zur Verfügung stehenden
Strömungsquerschnitts
auf ein geringes Maß.
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Alternativ zu der bisher beschriebenen
Ausführungsform
der Abgasklappe 1 kann die Verschlussplatte 13 auch
napfartig ausgebildet sein, so dass die Verschlussplatte 13 eine
bezüglich
der Innenfläche 17 konkave
Form bildet. Das Strömungsumkehrelement
wird bei dieser Ausführung
durch die napfartige Wölbung 25 der
Umgebung des Schließbereiches 6 gebildet.
Im Niederlastbereich entspricht das sich ausbildende Strömungsprofil
in etwa dem anhand von 5 beschriebenen
Szenario. Insbesondere wird der Abgasstrom A in dem zwischen der Wölbung 25 und
der Kanalwand 5 gebildeten Austrittsspalt 23 beschleunigt,
und eine der ursprünglichen
Strömungsrichtung 22 etwa
entgegengesetzte Rückströmung 24 erzeugt.
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Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse
im Austrittsspalt 23 weist die Kanalwand 5 im
Bereich des Auslasses 2 des Kanalabschnitts 3 bevorzugt
eine entsprechende Formgebung auf. In 7 ist
dazu der Rand 26 der Kanalwand 5 um etwa 180° nach außen umgebogen,
so dass die Kanalwand 5 in diesem Bereich etwa konzentrisch
zur Ringsicke 16 verläuft.
Dadurch ist ein Austrittsspalt 23 mit entlang der Strömung besonders
homogener Weite hergestellt. Zudem sind scharte Kanten im Austrittsspalt 23 vermieden,
so dass die Turbulenzbildung im Austrittsspalt 23 reduziert
ist.
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Alternativ umfasst die Kanalwand 5 gemäß 8 einen am Auslass 2 des
Kanalabschnitts 3 angebrachten, im Querschnitt etwa L-förmigen Strömungskörper 27,
der anstelle des Kanalrohrs 28 in die Ringsicke 16 hineinsteht.
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In dem in 9 dargestellten Teillastbereich ist der
Strömungsdurchsatz
gegenüber
dem Niederlastfall deutlich erhöht,
und die Abgasklappe 1 unter dem Strömungsdruck des Abgasstroms
etwa halb geöffnet.
In der bevorzugten Ausführung,
in der das Strömungsumkehrelement
als Ringsicke 16 ausgebildet ist, wird ein Großteil des
Abgasstroms entlang des ebenen Bodens 14 strömungsgünstig abgeleitet. Die
Ringsicke 16 beeinflusst das Strömungsverhalten des Abgasstroms
A nur noch in geringem Maße. Dies
ist auch von Vorteil, zumal die Strömungsumkehr nur zur Stabilisierung
des Niederlastverhaltens vorgesehen ist.
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10 zeigt
die Abgasklappe 1 im Volllastbetrieb. Aufgrund des hohen
Strömungsdruckes
des Abgasstroms A ist die Abgasklappe 1 nun vollständig aus
dem Öffnungsbereich
des Kanalabschnitts 3 herausgeschwenkt. Der Abgasstrom
A kann quasi ungehindert abfließen.
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- 1
- Abgasklappe
- 2
- Auslass
- 3
- Kanalabschnitt
- 4
- Abgaskanal
- 5
- Kanalwand
- 6
- Schließbereich
- 7
- Halterung
- 8
- Schwenkachse
- 9
- Längsausdehnung
- 10
- Rückstellfeder
- 11,
12
- Längsenden
- 13
- Verschlussplatte
- 14
- Boden
- 15
- Rand
- 16
- Ringsicke
- 17
- Innenfläche
- 18
- Ecken
- 19
- Lasche
- 20
- Scharnierende
- 21
- Bohrung
- 22
- Strömungsrichtung
- 23
- Austrittsspalt
- 24
- Rückströmung
- 25
- Wölbung
- 26
- Rand
- 27
- Strömungselement
- 28
- Kanalrohr
- A
- Abgasstrom
- S
- Strömungssog
- F
- Kompensationskraft