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Die Erfindung betrifft eine Drosselanordnung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die insbesondere in einer Abgasanlage
für einen
Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung
eine Abgasanlage mit einer derartigen Drosselanordnung.
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Eine Drosselanordnung der eingangs
genannten Art wird bevorzugt in Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren eingesetzt,
um den Abgasstrom in der Abgasanlage bis zu einem vorgegebenen Staudruck
definiert zu stauen. Die Drosselklappe verschließt hierzu einen vorgegebenen
Querschnittsbereich der Abgasanlage und gibt diesen erst frei, wenn der
Staudruck des Abgasstromes einen vorgegebenen Wert übersteigt.
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Das Verstellen der Drosselklappe
kann durch Aktuatoren, wie elektrische Stellmotoren, erfolgen, die üblicherweise
von der Motorregelung des Verbrennungsmotors angesteuert werden.
Eine derartige fremdbetätigte
Drosselanordnung ist beispielsweise in der
US 5,709,241 beschrieben. Des weiteren
sind Drosselanordnungen bekannt, bei denen die Drosselklappe mit
einer durch Unterdruck anzusteuernden Unterdruckdose als Aktuator
gekoppelt ist. Die Unterdruckdose wird gleichfalls von der Motorsteuerung
zum Öffnen
und Schließen
der Drosselklappe betätigt.
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Nachteilig an diesen fremdbetätigten Drosselanordnungen
ist, dass der Aktuator aufgrund seiner fehlenden Hitzebeständigkeit üblicherweise
außerhalb
der Abgasanlage angeordnet sein muß und die Kopplung des Aktuators
mit der in der Abgasanlage angeordneten Drosselklappe folglich durch
eine entsprechend ausgebildete Durchführung an der Abgasanlage erfolgen
muß. Diese
Art der Ansteuerung der Drosselklappe ist einerseits sehr kostspielig,
andererseits besteht die Gefahr der Entstehung von Undichtigkeiten
an der Durchführung
in die Abgasanlage. Die als Aktuatoren verwendeten Unterdruckdosen
sind ferner nur in der Lage, die Drosselklappe entweder vollständig geschlossen
oder vollständig geöffnet zu
halten, während
Zwischenstellungen der Drosselklappe mit Hilfe der Unterdruckdose
nicht einstellbar sind.
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Des weiteren sind Drosselanordnungen
bekannt, bei denen die Drosselklappe lediglich in ihre geschlossene
Stellung, in der sie den vom Fluid zu durchströmenden Querschnittbereich des
Rohres verschließt,
beispielsweise durch ein Federelement mechanisch vorgespannt ist
und sich gegen die Wirkung der Vorspannkraft durch den an ihr wirkenden Staudruck
selbsttätig öffnet.
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Derartiger Drosselanordnungen mit
selbsttätig öffnenden
Drosselklappen werden insbesondere eingesetzt, um die Akustik in
Abgasanlagen gezielt zu beeinflussen. Zu diesem Zweck ist in der
Abgasanlage wenigstens ein Abgasstrang oder Strömungsweg für das Abgas vorgesehen, wobei
bei niedrigem Staudruck des Abgases der Abgasstrang durch die mechanisch
vorgespannte Drosselklappe zumindest teilweise verschlossen werden
kann. Bei zunehmenden Staudruck öffnet
sich die Drosselklappe selbsttätig
und ermöglicht
so, dass das Abgas durch den Abgasstrang hindurchströmen kann,
wobei der Staudruck des Abgases und gleichzeitig die Strömungsgeräusche des
durch die Abgasanlage strömenden Abgases
verringert werden.
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Den in diesen Druckschriften beschriebenen Drosselanordnungen
ist gemeinsam, dass jede der verwendeten Drosselklappen durch ein
elastisches Spannelement, wie eine Torsionsfeder, in ihre geschlossene
Stellung vorgespannt ist und mit zunehmenden Staudruck des Abgases öffnet. Durch
die Art der Lagerung der Drosselklappe kommt es jedoch mit zunehmenden Öffnungsgrad
der Drosselklappe zu einer Zunahme der von der Feder verursachten
Vorspannkraft, Die mit zunehmenden Öffnungsgrad der Drosselklappe
zunehmende Vorspannkraft hat wiederum zur Folge, dass der für das Offenhalten
der Drosselklappe erforderliche Staudruck gleichfalls zunehmen muß, wodurch
die Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases reduziert wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
Drosselanordnung, insbesondere in einer Abgasanlage für einen
Verbrennungsmotor bzw. eine Abgasanlage, in der eine derartige Drosselanordnung
vorgesehen ist, anzugeben, bei der über einen vorgegebenen Öffnungsbereich
der Drosselklappe bei verhältnismäßig geringem
Staudruck die Drosselklappe sich selbsttätig öffnet.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Drosselanordnung
mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Ferner löst die Erfindung die Aufgabe
durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 12.
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Die erfindungsgemäße Drosselanordnung zeichnet
sich insbesondere durch die Lage der Schwenkachse relativ zu dem
von der Drosselklappe zu verschließenden Querschnittsbereich
des Rohres einerseits, und der Stellung der geöffneten Drosselklappe im Fluidstrom
andererseits aus.
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So wird durch die seitlich versetzte
Anordnung der Schwenkachse erreicht, dass der Staudruck an der geschlossenen
Drosselklappe lediglich ein in die Öffnungsrichtung der Drosselklappe
gerichtetes Öffnungsdrehmoment
bewirkt, welches dem von der Vorspannkraft erzeugten Schließmoment entgegenwirkt.
Hierdurch wird verhindert, dass sich durch den Staudruck gleichzeitig
ein in Richtung des Schließmomentes
wirkendes Stützmoment
entsteht, welches sich zwangsläufig
ergibt, wenn die Schwenkachse im zu verschließenden Öffnungsbereich des Rohres angeordnet
ist, wie im Stand der Technik üblich.
Da der Staudruck lediglich ein Öffnungsdrehmoment,
nicht jedoch zusätzlich
ein von der Stellung der Drosselklappe relativ zur Schwenkachse
und dem Staudruck abhängiges
Stütz moment bewirkt,
muß mit
dem Staudruck für
das Öffnen
der Drosselklappe nur das durch die Vorspannkraft eindeutig definierte
Schließdrehmoment überwunden werden,
so dass sich schon für
das Öffnen
der Drosselklappe ein eindeutiger Staudruck vorgeben läßt.
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Sobald die Drosselklappe geringfügig geöffnet ist,
strömt
der Fluidstrom an der Drosselklappe vorbei, wobei das Fluid die
Drosselklappe durch die erfindungsgemäße Positionierung der Drosselklappe im
durchströmten
Rohr beidseitig umströmt.
Hierdurch wird der Fluidstrom im wesentlichen nur durch die vom
Fluidstrom direkt angeströmte
Vorderseite der Drosselklappe gestaut, während der an der Rückseite
vorbeiströmende
Fluidstrom die Drosselklappe von ihrer Rückseite her abstützt. Mit
zunehmender Strömungsgeschwindigkeit
wird die Drosselklappe weiter geöffnet,
da die Stützwirkung
an der Rückseite der
Drosselklappe abnimmt, während
sich gleichzeitig die vom Fluid angeströmte Fläche an der Vorderseite der
Drosselklappe mit zunehmenden Öffnungsgrad
der Drosselklappe verkleinert. Durch die Verkleinerung der angeströmten Fläche wird
erreicht, dass trotz zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der im
Fluidstrom wirkende Staudruck zumindest über einen großen Öffnungsbereich
der Drosselklappe konstant bleibt, wie Versuchsreihen gezeigt haben.
Nimmt die Strömungsgeschwindigkeit
wieder ab, bleibt der Staudruck gleichfalls konstant.
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Des weiteren wurde in den Versuchsreihen ein
hysteresisches Schließverhalten
der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
beobachtet, bei der sich die Änderung
des Öffnungsgrades
der Drosselklappe bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms
von der Änderung
des Öffnungsgrades der
Drosselklappe bei abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit unterschieden
hat. Die Verwendung derartiger Drosselanordnungen mit hysteresischem Schließverhalten
ist insbesondere bei Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren von Vorteil,
bei denen ein Pulsieren der Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases in der Abgasanlage durch den Betrieb des Verbrennungsmotors
auftritt und das verzögerte
Schließen
der Drosselklappe Schwankungen im Volumenstrom ausgleicht. Des weiteren
kann mit dem vom hysteresischen Schließverhalten der Drossel klappe verursachten
verzögerten Öffnen und
Schließen
der Drosselklappe erreicht werden, dass Abgasströme mit hohem Durchsatz, bei
denen sich zeitverzögert eine
Temperaturänderung
ergibt, durch die Drosselklappe zeitlich verzögert einer Kühleinheit
zugeführt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Unteransprüchen und
der Zeichnung.
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So wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
vorgeschlagen, an dem vom Fluid zu durchströmenden Rohr eine seitliche
Ausnehmung vorzusehen, in der die Schwenkachse gelagert ist. Die
Ausbildung einer derartigen Ausnehmung hat den Vorteil, dass die
Schwenkachse in dem abgeschlossenen Bereich des Rohres angeordnet
ist, der vom Fluid durchströmt
werden soll. Hierdurch kann auf die Ausbildung von Durchführungen
für den
Abstandshalter der Drosselklappe, die abgedichtet werden müssen, verzichtet
werden.
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Des weiteren wird vorgeschlagen,
dass die Drosselklappe in ihrer geschlossenen Stellung unter einem
vorgegebenen Winkel angestellt zur Strömungsrichtung des Fluides verläuft. Durch
die angestellte Anordnung der Drosselklappe wird erreicht, dass
das von dem Staudruck an der der Drosselklappe erzeugte Öffnungsdrehmoment
geringer ist als wenn der Staudruck normal zur Oberfläche der
Drosselklappe wirkt, da nur der rechtwinklig zur Schwenkachse wirkende
Kraftanteil der durch den Staudruck verursachten Druckkraft ein Öffnungsdrehmoment bewirkt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Drosselanordnung steht der mindestens eine Abstandshalter unter
einem vorgegebenen Winkel von der Rückseite der Drosselklappe ab. Durch
die abgewinkelte Anordnung des Abstandshalters kann definiert vorgegeben
werden, wie hoch der Anteil der vom Staudruck verursachten Druckkraft
ist, der ein Öffnungsdrehmoment
an der Drosselklappe um die Schwenkachse bewirkt.
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Um eine gleichmäßige Verteilung des an der Drosselklappe
wirkenden Staudrucks auf den Abstandshalter zu erreichen, wird ferner
vorgeschlagen, den Abstandshalter zumindest annähernd mittig an der Drosselklappe
vorzusehen.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn der
Querschnitt der Drosselklappe in Richtung quer zur Schwenkachse
gesehen ein tragflächenförmiges Profil
aufweist. Durch das im Querschnitt tragflächenförmige Profil der Drosselklappe
wird erreicht, dass das Fluid ohne die Ausbildung turbulenter Strömungen an
der Oberfläche
der Drosselklappe entlangströmen
kann. Ferner kann durch eine entsprechende Querschnittsgestaltung
des Profils erreicht werden, dass an der Rückseite der Drosselklappe ein
geringere Strömungsdruck
wirkt als an der Vorderseite der Drosselklappe, wodurch das Öffnungsverhalten der
Drosselklappe gezielt beeinflußt
werden kann. In vollständig
geöffnetem
Zustand, bei dem die Drosselklappe in ihrer Längsrichtung gesehen vorzugsweise parallel
zur Strömungsrichtung
des Fluides verläuft wird
durch die tragflächenförmige Profilform
der Strömungswiderstand
der im Fluidstrom stehenden Drosselklappe minimiert, wodurch die
Ausbildung turbulenter Strömungen
im Querschnittsbereich des Rohres verhindert sowie ein Anregen der
Drosselklappe zum Schwingen vermieden wird.
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In Einzelfällen, beispielsweise beim Einsatz der
Drosselanordnung in Abgasanlagen, ist es von Vorteil, wenn die Drosselklappe
den Fluidstrom nicht vollständig
unterbricht. In derartigen Fällen
wird vorgeschlagen, die Drosselklappe zusätzlich mit mehreren Strömungskanälen zu versehen,
welche sich bei geschlossener Drosselklappe vorzugsweise in Strömungsrichtung
des Fluides erstrecken. Hierdurch wird erreicht, dass trotz geschlossener
Drosselklappe ein von der Anzahl und den Strömungsquerschnitten der Strömungskanäle abhängiger Volumenstrom des
Fluides durch die geschlossene Drosselklappe strömen kann, ohne dass hierzu
die Drosselklappe geöffnet
werden muß.
Erst wenn der Staudruck des Fluidstroms im Rohr so groß, dass
der Druckabfall, der von dem durch die Strömungskanäle in der Drosselklappe strömenden Volumenstrom
des Fluides verursacht wird, nicht mehr ausreicht, den Staudruck unter
den für
das Ge schlossenhalten der Drosselklappe noch zulässigen Staudruck zu reduzieren, öffnet sich
die Drosselklappe.
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Damit die Drosselklappe in ihrer
geschlossenen Stellung eine eindeutige Lage zum Querschnittsbereich
des Rohres einnimmt, wird ferner vorgeschlagen, an dem abzudichtenden
Querschnittsbereich Dichtungselemente vorzusehen, an welchen die
Drosselklappe in ihrer geschlossenen Stellung dichtend anliegt.
Durch die Verwendung von Dichtungselementen kann, sofern dies gewünscht ist,
bei ausreichend hoher Vorspannkraft auch ein nahezu vollständiges Abdichten
des Rohres durch die Drosselklappe erreicht werden.
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Die Drosselklappe ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Drosselanordnung durch ein elastisches Spannelement vorgespannt,
das sich am Abstandshalter bzw. der Drosselklappe einerseits und
am Rohr andererseits abstützt
und auf diese Weise die Drosselklappe in ihre geschlossene Stellung
vorspannt. Als Spannelement wird hierzu besonders bevorzugt die
Verwendung einer auf die Schwenkachse aufgeschobene Torsionsfeder
vorgeschlagen. An Stelle der Verwendung eines elastischen Spannelementes
ist jedoch auch die Verwendung eines magnetischen Halteelementes,
beispielsweise eines Permanentmagneten, möglich, welches die Drosselklappe
mit einer vorbestimmten Magnetkraft in die geschlossene Stellung
vorspannt.
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Die Drosselklappe der Drosselanordnung
ist üblicherweise
unmittelbar im Rohrquerschnitt angeordnet, so dass die Drosselklappe
einen Querschnittsbereich im Rohr verschließen kann, um das Fluid im Rohrquerschnitt
zu stauen.
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In besonderen Anwendungsfällen, beispielsweise
wenn die Drosselanordnung zum Verschließen eines Rohrstutzens in einer
Kammer einer Abgasanlage eingesetzt werden soll, um das Akustikverhalten der
Abgasanlage zu beeinflussen, wird vorgeschlagen, dass mit der Drosselklappe
die Eintrittsöffnung des
Rohres als Querschnittsbereich verschlossen wird. Die Drosselklappe
ist dabei so am Rohr angelenkt, das sie bei ausreichendem Staudruck
nach innen in die Eintrittsöffnung
des Rohrs schwenkt.
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In bestimmten Anwendungsfällen kann
es ferner erforderlich sein, ein stufenweises Öffnen des Rohres mit der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
zu erreichen. In derartigen Fällen
kann in Strömungsrichtung
des Fluides gesehen vor oder hinter der Drosselklappe der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
im Rohr eine weitere Drosselklappe vorgesehen sein. Auch diese Drosselklappe
kann in der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Weise ausgebildet, kann
jedoch in herkömmlicher
Weise gestaltet sein. Die Verwendung mehrerer hintereinander angeordneter
Drosselklappen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn unmittelbar
vor der Drosselklappe am Rohr eine Rohrabzweigung vorgesehen ist,
so dass das Fluid zunächst über diese
Rohrabzweigung abströmen
kann. Die Drosselklappe öffnet
dann erst, wenn der durch die Strömungsgeschwindigkeit verursachte
Staudruck ausreichend hoch ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft
die Erfindung eine Abgasanlage für
die Abgase von Verbrennungsmotoren, in der zumindest eine erfindungsgemäße Drosselanordnung
vorgesehen ist. Die Abgasanlage weist hierzu mindestens zwei Abgasstränge auf,
wovon wenigstens einer der Abgasstränge mit der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
versehen ist und den von ihr verschlossenen Abgasstrang erst ab
einem vorgegebenen Staudruck des Abgases in der Abgasanlage öffnet.
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Eine derartige erfindungsgemäße Abgasanlage
ist beispielsweise für
die Erhöhung
der effektiven Nutzung von mit Edelmetallen versehenen Katalysatoren
verwendbar. So kann für
den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors und niedrigen Abgastemperaturen
ein kleiner relativ stark beschichteter Katalysator eingesetzt werden,
der mit dem nicht von der Drosselklappe verschließbaren Abgasstrang
verbunden ist. Nimmt der Abgasdurchsatz und damit die Abgastemperatur
zu, gibt die Drosselklappe den weiteren Abgasstrang frei, so dass
das Abgas einem weiteren, weniger stark beschichteten Katalysator
oder einem sich an den anderen, stark beschichteten Katalysator
anschließenden
Katalysatorbereich gezielt zugeführt
wird.
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Eine besonders bevorzugte Anwendungsmöglichkeit
der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
in der Abgasanlage ist deren Einsatz als Akustikklappe. So wird
mit der Drosselklappe bei geringen Abgasdurchsätzen einer der beiden Abgasstränge verschlossen.
Nimmt Abgasdurchsatz zu, nehmen auch die entstehenden Strömungsgeräusche in
der Abgasanlage zu. Ist der Abgasdurchsatz ausreichend hoch, so
dass der vom Abgas in der Abgasanlage erzeugte Staudruck ausreichend
hoch ist, die Drosselklappe zu öffnen,
strömt
ein Teil des Abgases durch den zuvor von der Drosselklappe verschlossenen
Abgasstrang. Hierbei ist die erfindungsgemäße Drosselklappe in der Lage,
den in den von ihr gesteuerten Abgasstrang einströmenden Volumenstrom des
Abgases in Abhängigkeit
vom Abgasdurchsatz variabel steuern. Auf diese Weise ist eine an
den aktuellen Abgasdurchsatz angepaßte Reduzierung der Schallemissionen
der Abgasanlage auf einfache und elegante Weise möglich.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit
besteht in dem Einsatz der erfindungsgemäßen Drosselanordnung in einer
Abgasanlage zur Temperaturregelung für die Reduzierung der NOx-Belastung. Hierzu wird vorgeschlagen, dass
der mit der erfindungsgemäßen Drosselklappe
versehene Abgasstrang als Bypass dient, mit dem der Abgasstrom parallel
an einem mit dem anderen Abgasstrang verbundenen NOx-Speicherkatalysator
der Abgasanlage zunächst
einem Abgaskühler
zuzuleiten ist, von dem der abgekühlte Abgasstrom dem NOx-Speicherkatalysator
anschließend
zugeleitet wird. So hat sich gezeigt, dass sich das Abgas bei niedrigen
Drehzahlen des Verbrennungsmotors und einem verhältnismäßig geringem Abgasdurchsatz
weniger stark erwärmt,
so dass das Abgas dem NOx-Katalsysator unmittelbar
zugeführt
werden kann. Nimmt dagegen der Abgasdurchsatz zu, erhöht sich
auch die Abgastemperatur. In dem in Abhängigkeit vom Abgasdurchsatz und
dem vom Abgas in der Abgasanlage erzeugten Staudruck der mit dem
Abgaskühler
verbundene Abgasstrang von der erfindungsgemäßen Drosselklappe geöffnet wird,
kann dass heiße
Abgas zunächst gekühlt werden,
bevor es einem NOx-Katalysator zugeführt wird.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit
stellt der Einsatz der mit der erfindungsgemäßen Drosselanordnung versehenen
Abgasanlage zur Drehmomentoptimierung dar. So werden Drosselklappen
in Abgasanlagen insbesondere bei Motorrädern zur Drehmomentoptimierung
eingesetzt. Hierzu wird der Überdruckimpuls,
der beim Öffnen
der Auslaßventils am
Verbrennungsmotor entsteht, von der geschlossenen Drosselklappe
als Unterdruckimpuls derart reflektiert, dass der Unterdruckimpuls
kurz vor Schließen
des Auslaßventils
bei diesem eintrifft und das Entleeren des Brennraumes unterstützt, wodurch sich
eine Optimierung des Drehmomentes ergibt. Für eine feste Geometrie der
Abgasanlage läßt sich
diese Wirkungsweise jedoch nur für
bestimmte Lastzustände
des Verbrennungsmotors erreichen. Durch die erfindungsgemäße Drosselklappe
kann in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Abgasdurchsätzen die
Geometrie der Abgasanlage, d.h. die vom Abgas zu durchströmende Länge, definiert
variiert werden, um den Ort, an dem der Überdruckimpuls reflektiert
wird, für eine
Drehmomentoptimierung definiert zu verlagern.
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Des weiteren wird vorgeschlagen,
die Wärme
des Abgases zum Heizen des Fahrzeuges zu verwenden. Hierzu wird
das Abgas bei niedrigen Abgasdurchsätzen mit Hilfe der Drosselklappe
einem Wärmetauscher
zugeleitet, in dem das Abgas seine Wärme an das Kühlmittel
des Kühlmittelkreislaufes
oder das Öl
des Ölkreislaufes
des Verbrennungsmotors abgibt. Hierdurch wird einerseits der Motor
und andererseits die üblicherweise
mit dem Wärmetauscher gekoppelte
Fahrzeugheizung zusätzlich
erwärmt.
Bei hohen Abgasdurchsätzen
gibt die Drosselklappe dagegen den weiteren Abgasstrang frei, so
dass das Abgas am Wärmetauscher
vorbeigeleitet wird, um einen zusätzlichen Wärmeeintrag in das Kühlmittel
zu verhindern.
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Auch bei Abgasanlagen mit Rußfiltern
ist die erfindungsgemäße Drosselanordnung
einsetzbar. So sind für
die Regeneration des Rußfilters,
also das Abbrennen des Rußes,
hohe Temperaturen notwendig, die in vielen Lastzuständen nicht
erreicht werden. Um das Abgas auf die gewünschte Regenerationstemperatur
zu erwärmen,
werden üblicherweise
Heizeinrichtung eingesetzt, die jedoch aufgrund des hohen Massenstroms
des Abgases eine entsprechend ausreichend hohe Heizleistungen besitzen
müssen.
Mit Hilfe der Drosselklappe kann bei einem ausreichend hohen Abgasdurchsatz
ein Abgasstrang der Abgasanlage freigegeben werden, so dass der
Abgasdurchsatz im benachbarten Abgasstrang vermindert ist. Der durch
den benachbarten Abgasstrang strömende,
verminderte Massenstrom des Abgas kann dann mit Hilfe einer vergleichsweise
klein dimensionierten Heizeinrichtung auf die für den mit diesem Abgasstrang
in Strömungsverbindung
stehenden Rußfilter
erforderliche Regenerationstemperatur erwärmt werden. Nimmt der Abgasdurchsatz
wieder ab, verschließt
die Drosselklappe den weiteren Abgasstrang zumindest teilweise,
so dass das durch diesen weiteren Abgasstrang noch hindurchströmende Abgas
auf die Regenerationstemperatur erwärmt werden kann, um den sich
an den weiteren Abgasstrang anschließenden Rußfilter zu regenerieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels,
wobei Bezug auf die beigefügte
Zeichnung genommen wird.
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In dieser zeigt die einzige Figur
eine geschnittene Ansicht eines Abschnittes eines Abgasstranges
einer Abgasanlage mit einer erfindungsgemäßen Drosselanordnung.
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In der einzigen Figur ist ein Abschnitt
eines Abgasstranges 10 einer Abgasanlage 12 dargestellt. Der
Abgasstrang 10 dient als Strömungskanal für Abgas
und kann durch eine erfindungsgemäße Drosselanordnung 14 verschlossen
werden, die den Abgasstrang 10 erst ab einem vorgegebenen
Staudruck des Abgases mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich
freigibt, wie später
im Detail noch erläutert
werden wird.
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Der Abgasstrang 10 hat einen
etwa rechteckigen Strömungsquerschnitt,
der von der Drosselanordnung 14 verschlossen werden kann.
Je nach Einsatzzweck kann der Abgasstrang 10 jedoch anstelle
eines rechteckigen Strömungsquer schnittes auch
einen runden, ovalen oder mehreckigen Strömungsquerschnitt besitzen.
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An seiner in der Figur rechts dargestellten Seitenwand 16 hat
der Abgasstrang 10 eine Ausnehmung 18, welche
seitlich an die Seitenwand 16 des Abgasstranges 10 gasdicht
angeschweißt
ist. In der Ausnehmung 16 ist eine etwa quer zur Längsrichtung des
Abgasstranges 10 verlaufende Schwenkachse 20 der
Drosselanordnung 14 befestigt, die in der Figur lotrecht
zur Papierebene dargestellt ist.
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An der Schwenkachse 20 sind
zwei parallel zueinander beabstandete, identisch ausgebildete Haltebügel 22 als
Abstandshalter mit ihren jeweils einen Enden schwenkbar gelagert,
wobei in der Figur aus Darstellungsgründen nur einer der Haltebügel 22 zu
sehen ist. Am anderen Ende sind die beiden Haltebügel 22 gemeinsam
an der Rückseite 24 einer rechteckigen
Drosselklappe 26 mittig befestigt. Die Haltebügel 22 stehen
dabei so von der Drosselklappe 26 ab, dass sie mit ihren
Längsrichtungen
unter einem vorgegebenen Winkel α geneigt
zur Längsrichtung
der Drosselklappe 26 verlaufen. Der Winkel α ist dabei
so gewählt,
dass die Drosselklappe 26 in ihrer geschlossenen Stellung,
so wie sie in der Figur in durchgezogener Linie dargestellt ist,
mit ihrer Längsrichtung
unter einem Winkel β geneigt
zur Längsrichtung
des Abgasstranges 10 und damit unter dem Winkel β geneigt
zur Strömungsrichtung
R des Abgases verläuft.
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Des weiteren ist auf die Schwenkachse 20 eine
Torsionsfeder 28 aufgeschoben. Die Torsionsfeder 28 stützt sich
mit ihrem einen Schenkel 30 an der Innenwand der Ausnehmung 18 ab,
während
sie gleichzeitig mit ihrem anderen Schenkel 32 unter Vorspannung
an einem der Haltebügel 22 anliegt
und die Drosselklappe 26 in ihre geschlossene Stellung
mechanisch vorspannt. Dabei kommt die Drosselklappe 26 mit
den Kantenbereichen ihrer Vorderseite 34 an im Abgasstrang 10 nach
innen abstehenden Dichtungselementen 36 zur Anlage.
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Wie die Figur weiter zeigt, sind
die Vorderseite 34 und die Rückseite 24 der Drosselklappe 26 quer zur
Längsrichtung
der Schwenkachse 20 betrachtet so gestaltet, dass die Drosselklappe 26 ein über die gesamte
Breite der Drosselklappe 26 betrachtet tragflächenförmiges Querschnittsprofil
aufweist. Des weiteren sind in der Drosselklappe 26 mehrere
quer durch die Drosselklappe 26 von der Vorderseite 34 zur
Rückseite 24 verlaufende
Strömungskanäle 38 ausgebildet,
die gleichmäßig über die
gesamte angeströmte
Fläche
der Drosselklappe 26 verteilt sind. Die Strömungskanäle 38 erstrecken
sich unter einem vorgegebenen Winkel geneigt zur Vorderseite 34 der Drosselklappe 26,
so dass die Strömungskanäle 38 bei
geschlossener Drosselklappe 26 parallel zur Strömungsrichtung
R des Abgases verlaufen.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Drosselanordnung 14 näher erläutert.
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Im Ausgangszustand wird die Drosselklappe 26 von
der Torsionsfeder 28 in ihre geschlossene Stellung gegen
die Dichtungselemente 36 mechanisch derart vorgespannt,
dass an den mit den Dichtungselementen 36 in Berührung stehenden
Kantenbereichen der Drosselklappe 26 kaum Abgas hindurchtreten
kann. Strömt
nun Abgas in Strömungsrichtung
R durch den Abgasstrang 10, verschließt die Drosselklappe 26 den
Querschnittsbereich des Abgasstranges 10 im Bereich der
Dichtungselemente 36. Lediglich durch die in der Drosselklappe 26 ausgebildeten
Strömungskanäle 38 kann
ein vorgegebener Volumenstrom des Abgases hindurchströmen.
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Nimmt nun die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases
zu, kommt es zu einer Erhöhung
des von der Drosselklappe 26 verursachten Staudruckes. Dabei
bewirkt der Staudruck des Fluides durch die zum durchströmten Querschnittsbereich
des Abgasstranges 10 seitlich versetzte Anordnung der Schwenkachse 20,
dass der Staudruck an der geschlossenen Drosselklappe 26 lediglich
ein in die Öffnungsrichtung
der Drosselklappe 26 gerichtetes Öffnungsdrehmoment bewirkt,
welches dem von der Torsionsfeder 28 erzeugten Schließmoment
entgegenwirkt, ohne dass dabei durch den Staudruck gleichzeitig
ein in Richtung des Schließmomentes gerichtetes
Stützmoment
entsteht. Da der Staudruck lediglich ein Öffnungsdrehmoment bewirkt, öffnet sich
die Drosselklappe 26, wenn das vom Staudruck erzeugte Öffnungsdrehmoment
das von der Torsionsfeder 28 bewirkte Schließdrehmoment übersteigt.
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Sobald die Drosselklappe 26 geringfügig geöffnet ist,
strömt
das Abgas an der Drosselklappe 26 vorbei, wobei die Drosselklappe 26 durch
die Haltebügel 22 beabstandet
zur Innenwand des Abgasstranges 10 gehalten ist, so dass
das Abgas die Drosselklappe 26 beidseitig umströmt. Hierdurch wird
der Abgasstrom im wesentlichen nur durch die vom Abgasstrom direkt
angeströmte
Vorderseite 34 der Drosselklappe 26 gestaut, während der
an der Rückseite 24 vorbeiströmende Abgasstrom
die Drosselklappe 26 von ihrer Rückseite 24 her abstützt. Dabei
wird der Abstützeffekt
wird durch das tragflächenförmige Profil
der Drosselklappe 26 zusätzlich unterstützt.
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Nimmt nun die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases
weiter zu, öffnet
sich die Drosselklappe 26 weiter, da durch die Veränderung
des Anströmwinkels
des Abgases gegen die Drosselklappe 26 die Stützwirkung
des Abgases an der Rückseite 24 der Drosselklappe 26 abnimmt,
während
sich gleichzeitig die vom Abgas angeströmte Fläche an der Vorderseite 36 der
Drosselklappe 26 mit zunehmenden Öffnungsgrad der Drosselklappe 26 verkleinert.
Durch die Reduzierung der Stützwirkung
einerseits und die Verkleinerung der angeströmten Fläche der Drosselklappe 26 andererseits
wird erreicht, dass trotz zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der im
Abgasstrom wirkende Staudruck zumindest über einen großen Öffnungsbereich
der Drosselklappe 26 konstant bleibt. Erst in der vollständig geöffneten
Stellung der Drosselklappe 26, wie sie in der Figur in
gestrichelten Linien dargestellt ist, nimmt der Staudruck des Abgases
mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit
kontinuierlich zu.
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Nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases
wieder ab, schließt
sich die Drosselklappe 26 wieder kontinuierlich in Abhängigkeit
von der Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases, wobei der im Abgasstrang 10 vor der Drosselklappe 26 wirkende Staudruck
konstant bleibt.
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Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Drosselanordnung 14 ist
für verschiedenste
Anwendungsfälle
einsetzbar. So kann die Drosselanordnung 14 zur Beeinflussung
der Akustik in einem Schalldämpfer
der Abgasanlage eingesetzt werden, um in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit
den vom Abgas zu durchströmenden
Weg im Schalldämpfer
zu verändern.
Ferner ist der Einsatz der Drosselanordnung 14 zum gezielten
Umlenken des Abgasstromes in einer Abgasanlage möglich, um das Abgas in Abhängigkeit
vom Abgasdurchsatz gegebenenfalls vor einem wärmeempfindlichen Katalysator
zu kühlen.
Des weiteren ist es möglich,
die Drosselanordnung 14 in einer Abgasanlage mit Rußfiltern
einzusetzen, wobei jedem Rußfilter
eine Drosselklappe 26 mit Strömungskanälen 38 zugeordnet ist,
die Drosselklappen 26 jedoch bei unterschiedlichen Staudrükken öffnen, so
dass ein Rußfilter,
bei dem die Drosselklappe 26 geschlossenen ist, lediglich
durch die Strömungskanäle 38 mit
einer geringen Menge Abgas versorgt wird, welches zu Regenerationszwecken
des Rußfilters
mit geringem Aufwand erhitzt werden kann. Die erfindungsgemäße Drosselanordnung 14 kann
auch zu einer von der Motorlast abhängigen Drehmomentoptimierung
eingesetzt werden, in dem an definierten Stellen der Abgasanlage
Drosselklappen 26 angeordnet sind, die in geschlossenem
Zustand den Überdruckimpuls
beim Öffnen
des Auslaßventils
des Verbrennungsmotors als Unterdruckimpuls reflektieren. In Abhängigkeit von
der Motorlast bleibt dann nur die Drosselklappe 26 geschlossen,
die den Überdruckimpuls
reflektieren soll.
-
Diese und weitere Anwendungsbereiche
der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
sind denkbar, wobei der Einsatz der erfindungsgemäßen Drosselanordnung
in Abgasanlagen nur einen bevorzugten Anwendungsbereich darstellt.
-
- 10
- Abgasstrang
- 12
- Abgasanlage
- 14
- Drosselanordnung
- 16
- Seitenwand
- 18
- Ausnehmung
- 20
- Schwenkachse
- 22
- Haltebügel
- 24
- Rückseite
- 26
- Drosselklappe
- 28
- Torsionsfeder
- 30
- Schenkelende
- 32
- Schenkelende
- 34
- Vorderseite
- 36
- Dichtungselemente
- 38
- Strömungskanäle