EP2236805A2 - Klappenventil - Google Patents

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EP2236805A2
EP2236805A2 EP10152762A EP10152762A EP2236805A2 EP 2236805 A2 EP2236805 A2 EP 2236805A2 EP 10152762 A EP10152762 A EP 10152762A EP 10152762 A EP10152762 A EP 10152762A EP 2236805 A2 EP2236805 A2 EP 2236805A2
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EP
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axis
flap
rotation
contact surface
valve
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Dr. Michael Breuer
Dr. Andres Tönnesmann
Costantino Brunetti
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F02D9/08—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits
    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps
    • F02D9/1005—Details of the flap
    • F02D9/1025—Details of the flap the rotation axis of the flap being off-set from the flap center axis
    • F02D9/103—Details of the flap the rotation axis of the flap being off-set from the flap center axis the rotation axis being located at an edge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/04—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning exhaust conduits
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    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps
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    • F02D9/101—Special flap shapes, ribs, bores or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/71—Multi-way valves

Definitions

  • the invention relates to a flap valve, in particular for internal combustion engines, having a housing which has at least one inlet opening and at least two outlet openings, wherein a closure flap is mounted eccentrically in the housing and is pivotable about an axis of rotation which engages the closure flap with its front and rear contact surfaces cooperates two valve seats.
  • flapper valve is for example from the German Offenlegungsschrift DE 103 29 336 A1 known.
  • the flap valve described is designed so that the closure flap must open during the opening process over a large angular range against the prevailing in the inlet opening pressure of the medium to be controlled and is loaded during the closing process over a large angular range by this pressure. Accordingly, very large actuating forces must be applied in order to ensure a defined opening and closing process.
  • the invention is based on the object to avoid the above-mentioned disadvantage and to provide a cost-effective, compact flap valve.
  • the bearing surface directed to the valve seat extends in a curved plane, such that when facing away from the axis of rotation valve seat facing in the opening direction side of the contact surface has a greater distance from the axis of rotation, as pointing in the closing direction side of the contact surface and in the case of a valve seat facing the axis of rotation, the side of the contact surface facing in the opening direction has a smaller one Distance from the axis of rotation than the side facing in the closing direction of the contact surface.
  • Such a design ensures a particularly compact, aerodynamically designed and in the extreme positions well sealed flap valve.
  • the housing is designed with an inlet opening and two opposite outlet openings, wherein the outlet openings are separated by a housing wall part and the Rotary axis is mounted in or on this housing wall part.
  • the pipe sections has, which form the outlet openings and thus also the valve seats.
  • an opening may be provided in the valve seat facing part of the pipe section.
  • the flap can be coated with an elastomer.
  • a frictionless, pressure relieved as possible pivoting the closure flap between the extreme positions is ensured by a distance perpendicular to the central axis of the axis of rotation of a point P to the contact surface of the flap describes a flat curve with ever-increasing distance. This curve can describe a section of a logarithmic spiral.
  • FIG. 1 shows a flap valve 1, which combines the functions of a conventional exhaust gas recirculation valve and an exhaust flap in the present case.
  • An inlet openings 2 is connected to an exhaust pipe not shown in detail, which in turn is connected to a non-illustrated internal combustion engine in a conventional manner.
  • An exhaust port 3 is connected to an exhaust gas recirculation line not shown in detail, which recirculates exhaust gas to the input region of the internal combustion engine.
  • An outlet 4 is connected in a known manner with an exhaust line, not shown, is discharged via the exhaust gas to the environment.
  • the inlet opening 2 and also the outlet openings 3 and 4 are arranged in the present case in a one-piece housing 7, wherein the outlet openings 3, 4 pipe sections 8, 9, which form the outlet openings and thus the valve seats 10, 11.
  • the use of the pipe sections 8, 9 allows a particularly simple and cost-effective production of the flap valve. 1
  • the rotational axis 6 is mounted on a housing wall part 12 which separates the two outlet openings 3, 4 from each other.
  • the closure flap 5 has a front-side and a rear-side contact surface 13, 14, wherein the contact surface 13 fluid-tightly closes off the outlet opening 3 in a first extreme position in cooperation with the valve seat 10 and the contact surface 13 in cooperation with the valve seat 11 in a second Closes extreme position fluid-tight.
  • a path perpendicular to the central axis of the rotation axis from a point P to the contact surface of the closure flap describes a planar curve with constantly increasing distance, in the present exemplary embodiment a logarithmic spiral. This ensures that upon rotation of the closure flap 5, each velocity vector on the closure flap for local inclination of the valve seat 10 or 11 has a constant angle.
  • closure flap opens at almost the right angle against the force vectors of the acting exhaust gas pressure in the inlet opening 2, whereby a much simpler and smaller servomotor can be used to drive the closure flap 5 than in the cited prior art.
  • the second extreme position occurs when the closure flap 5 fully interacts with its contact surface 14 with the valve seat 11, such that the outlet opening 4 is completely closed.
  • the highest exhaust gas recirculation rates, with a sufficient exhaust gas recirculation supply of the internal combustion engine is ensured, especially at low speeds and medium loads.
  • FIG. 2 now shows the flap valve 1 according to the invention in cross section. Clearly visible here is the storage of the flap 5 on the axis of rotation 6 and the arrangement of the pipe sections 8 and 9 in the housing. 7

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Abstract

Klappenventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (7), das mindestens eine Einlassöffnung (2) und mindestens zwei Auslassöffnungen (3,4) aufweist, wobei eine Verschlussklappe (5) exzentrisch im Gehäuse (7) gelagert ist und derart um eine Drehachse (6) schwenkbar ist, dass die Verschlussklappe (5) mit deren vorderseitigen und rückseitigen Anlageflächen (13,14) mit zwei Ventilsitzen (10,11) zusammenwirkt, wobei die zum Ventilsitz gerichtete Anlagefläche (13,14) in einer gekrümmten Ebene verläuft, derart, dass bei einem von der Drehachse abgewandten Ventilsitz (10) die in Öffnungsrichtung weisende Seite der Anlagefläche (13) einen größeren Abstand zur Drehachse (6) aufweist, als die in Schließrichtung weisende Seite der Anlagefläche (13) und das bei einem der Drehachse (6) zugewandten Ventilsitz die in Öffnungsrichtung weisende Seite der Anlagefläche (14) ein geringeren Abstand zur Drehachse (6) aufweist, als die in Schließrichtung weisende Seite der Anlagefläche (14).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Klappenventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, das mindestens eine Einlassöffnung und mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist, wobei eine Verschlussklappe exzentrisch im Gehäuse gelagert ist und derart um eine Drehachse schwenkbar ist, das die Verschlussklappe mit deren vorderseitigen und rückseitigen Anlageflächen mit zwei Ventilsitzen zusammenwirkt.
  • Ein derartiges Klappenventil ist beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 29 336 A1 bekannt. Das beschriebene Klappenventil ist so konstruiert, dass die Verschlussklappe beim Öffnungsvorgang über einen großen Winkelbereich gegen den in der Einlassöffnung vorherrschenden Druck des zu steuernden Mediums öffnen muss und beim Schließvorgang über einen großen Winkelbereich durch diesen Druck belastet ist. Dementsprechend müssen sehr große Stellkräfte aufgebracht werden, um einen definierten Öffnungs- und Schließvorgang gewährleisten zu können.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, den oben genannten Nachteil zu vermeiden und ein kostengünstiges, kompaktes Klappenventil zu verschaffen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die zum Ventilsitz gerichtete Anlagefläche in einer gekrümmten Ebene verläuft, derart, dass bei einem von der Drehachse abgewandten Ventilsitz die in Öffnungsrichtung weisende Seite der Anlagefläche einen größeren Abstand zur Drehachse aufweist, als die in Schließrichtung weisende Seite der Anlagefläche und das bei einem der Drehachse zugewandten Ventilsitz die in Öffnungsrichtung weisende Seite der Anlagefläche einen geringeren Abstand zur Drehachse aufweist als die in Schließrichtung weisende Seite der Anlagefläche.
  • Eine derartige Konstruktion gewährleistet ein besonders kompaktes, strömungsgünstig ausgeführtes und in den Extremlagen gut abgedichtetes Klappenventil. Um in fertigungstechnischer Hinsicht ein besonders einfach herzustellendes Klappenventil zu verschaffen, dass darüber hinaus auch besonders strömungsgünstig ausgeführt ist, ist es vorteilhaft, dass das Gehäuse mit einer Einlassöffnung sowie zwei gegenüber liegenden Auslassöffnungen ausgeführt ist, wobei die Auslassöffnungen durch ein Gehäusewandteil voneinander getrennt sind und die Drehachse in oder an diesem Gehäusewandteil gelagert ist. Darüber hinaus ist es auch aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft, wenn das Rohrteilstücke aufweist, die die Auslassöffnungen und damit auch die Ventilsitze bilden. Um in jeder Ventilstellung eine Mindestabführung von Abgas zu gewährleisten, kann im zum Ventilsitz gerichteten Teil des Rohrteilstücks eine Öffnung vorgesehen sein. Um ein optimales Abdichtverhalten zu gewährleisten, kann die Verschlussklappe mit einem Elastomer beschichtet sein.
  • Ein reibungsfreies, möglichst Druck entlastetes Verschwenken der Verschlussklappe zwischen den Extremlagen wird dadurch gewährleistet, dass eine Strecke senkrecht zur Mittelachse der Drehachse von einem Punkt P zur Anlagefläche der Verschlussklappe eine ebene Kurve mit ständig größer werdenden Abstand beschreibt. Dabei kann diese Kurve einen Abschnitt einer logarithmischen Spirale beschreiben.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben, dabei zeigt
    • Figur 1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Klappenventils, und
    • Figur 2 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Klappenventils.
  • Figur 1 zeigt ein Klappenventil 1, das im vorliegenden Fall die Funktionen eines herkömmlichen Abgasrückführventils und einer Abgasklappe vereinigt. Eine Einlassöffnungen 2 ist mit einer nicht näher dargestellten Abgasleitung verbunden, die wiederum mit einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine auf herkömmliche Weise verbunden ist. Eine Auslassöffnung 3 ist mit einer nicht näher dargestellten Abgasrückführleitung verbunden, die Abgas zum Eingangsbereich der Brennkraftmaschine zurückführt. Eine Auslassöffnung 4 ist auf bekannte Weise mit einem nicht näher dargestellten Abgasstrang verbunden, über den Abgas an die Umgebung abgeführt wird. Eine Verschlussklappe 5, die durch eine Drehachse 6 exzentrisch gelagert ist, steuert den Abgasfluss über die Auslassöffnung 3 und/oder die Auslassöffnung 4.
  • Die Einlassöffnung 2 und auch die Auslassöffnungen 3 und 4 sind in dem vorliegenden Fall in einem einteiligen Gehäuse 7 angeordnet, wobei die Auslassöffnungen 3, 4 Rohrteilstücke 8, 9 aufweisen, die die Auslassöffnungen und damit die Ventilsitze 10, 11 bilden. Der Einsatz der Rohrteilstücke 8, 9 ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Klappenventils 1.
  • In einer strömungstechnisch besonders vorteilhaft ausgebildeten Ausführungsform ist die Drehachse 6 an einem Gehäusewandteil 12 gelagert, das die beiden Auslassöffnungen 3, 4 voneinander trennt.
  • Die Verschlussklappe 5 weist eine vorderseitige und eine rückseitige Anlagefläche 13, 14 auf, wobei die Anlagefläche 13 die Auslassöffnung 3 in einer ersten Extremstellung in Zusammenwirkung mit dem Ventilsitz 10 fluiddicht abschließt und die Anlagefläche 13 die Auslassöffnung 4 in Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 11 in einer zweiten Extremstellung fluiddicht abschließt. Dabei beschreibt im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Strecke senkrecht zur Mittelachse der Drehachse von einem Punkt P zur Anlagefläche der Verschlussklappe eine ebene Kurve mit ständig größer werdendem Abstand, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine logarithmische Spirale. Damit ist gewährleistet, dass bei einer Drehbewegung der Verschlussklappe 5 jeder Geschwindigkeitsvektor auf der Verschlussklappe zur lokalen Neigung des Ventilsitzes 10 oder 11 einen konstanten Winkel aufweist. Hierdurch stellt sich eine Auflage der Verschlussklappe auf den Ventilsitz mit sehr guter Dichtwirkung und keinen Reibungsverlusten bei der Drehbewegung dar. Desweiteren dehnt sich die Verschlussklappe aufgrund von Wärmeinwirkung selbstähnlich aus, wodurch die ausgedehnte Verschlussklappe 5 weiterhin auf die Ventilsitze 11, 12 aufliegt und sich lediglich im Schließwinkel ein leichter Winkelversatz einstellt.
  • Des Weiteren öffnet die Verschlussklappe in nahezu rechtem Winkel gegen die Kraftvektoren des wirkenden Abgasdruckes in der Einlassöffnung 2, wodurch ein wesentlich einfacherer und kleinerer Stellmotor zum Antrieb der Verschlussklappe 5 eingesetzt werden kann als beim aufgezeigten Stand der Technik.
  • Das erfindungsgemäße Klappenventil 1 arbeitet nun wie folgt:
    • In der ersten Extremstellung verschließt die Verschlussklappe 5 vollständig die Auslassöffnung 3. Es wird somit kein Abgas zur Brennkraftmaschine zurückgeführt und das Abgas vollständig über die Auslassöffnung 4 und eine nicht dargestellte Abgasanlage an die Umgebung abgegeben. Ein zusätzlicher Abgasgegendruck wird auf diese Art und Weise nicht erzeugt. Ein derartiger Betriebszustand kann zum Beispiel im Volllastbereich der Brennkraftmaschine erwünscht sein.
  • Wenn die Verschlussklappe 5 mit ihrer Anlagefläche 13 vollständig vom Ventilsitz 10 abgehoben ist, also die Auslassöffnung 3 vollständig geöffnet ist und die Auslassöffnung 4 noch unbeeinflusst von der Verschlussklappe 5 ist, findet eine mittlere bis hohe Abgasrückführrate statt. Eine negative Beeinflussung der Ladungswechselarbeit tritt nicht auf. Ein derartiger Betriebszustand wird bevorzugt im mittleren bis unteren Last/Drehzahlbereich auftreten.
  • Die zweite Extremstellung stellt sich dann ein, wenn die Verschlussklappe 5 mit ihrer Anlagefläche 14 vollständig mit dem Ventilsitz 11 zusammenwirkt, derart, dass die Auslassöffnung 4 vollständig verschlossen ist. In diesem Zustand stellen sich die höchsten Abgasrückführraten ein, wobei insbesondere bei kleinen Drehzahlen und mittleren Lasten eine ausreichende Abgasrückführversorgung der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Um eine ausreichende Mindestabführung von Abgas vorzusehen, ist es zum Beispiel möglich im zum Ventilsitz 11 gerichteten Teil des Rohrteilstücks 9 eine Öffnung 15 vorzusehen.
  • Figur 2 zeigt nun das erfindungsgemäße Klappenventil 1 in Querschnitt. Deutlich zu erkennen ist hierbei die Lagerung der Verschlussklappe 5 auf der Drehachse 6 sowie die Anordnung der Rohrteilstücke 8 und 9 im Gehäuse 7.

Claims (7)

  1. Klappenventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (7), das mindestens eine Einlassöffnung (2) und mindestens zwei Auslassöffnungen (3,4) aufweist, wobei eine Verschlussklappe (5) exzentrisch im Gehäuse (7) gelagert ist und derart um eine Drehachse (6) schwenkbar ist, dass die Verschlussklappe (5) mit deren vorderseitigen und rückseitigen Anlageflächen (13,14) mit zwei Ventilsitzen (10,11) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ventilsitz (10,11) gerichtete Anlagefläche (13,14) in einer gekrümmten Ebene verläuft, derart, dass bei einem von der Drehachse abgewandten Ventilsitz (10) die in Öffnungsrichtung weisende Seite der Anlagefläche (13) einen größeren Abstand zur Drehachse aufweist, als die in Schließrichtung weisende Seite der Anlagefläche (13) und das bei einem der Drehachse (6) zugewandten Ventilsitz (11) die in Öffnungsrichtung weisende Seite der Anlagefläche (14) ein geringeren Abstand zur Drehachse (6) aufweist, als die in Schließrichtung weisende Seite der Anlagefläche (14).
  2. Klappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) eine Einlassöffnung (2) sowie zwei gegenüberliegende Auslassöffnungen (3, 4) aufweist, wobei die Auslassöffnungen (3, 4) durch ein Gehäusewandteil (12) voneinander getrennt sind und die Drehachse (6) in oder an diesem Gehäusewandteil (12) gelagert ist.
  3. Klappenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) Rohrteilstücke (8,9), die die Auslassöffnungen (3,4) und damit auch die Ventilsitze (10,11) bilden.
  4. Klappenventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zum Ventilsitz gerichteten Teil des Rohrteilstücks (11) eine Öffnung (15) vorgesehen ist.
  5. Klappenventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussklappe (5) mit einem Elastomer beschichtet ist.
  6. Klappenventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strecke senkrecht zur Mittelachse der Drehachse (6) von einem Punkt P zur Anlagefläche (14) der Verschlussklappe (5) eine ebene Kurve mit ständig größer werdendem Abstand beschreibt.
  7. Klappenventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve einen Abschnitt einer logarithmischen Spirale beschreibt.
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