EP3475554A1 - Abgasklappenvorrichtung und verfahren zur montage einer derartigen abgasklappenvorrichtung - Google Patents

Abgasklappenvorrichtung und verfahren zur montage einer derartigen abgasklappenvorrichtung

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Publication number
EP3475554A1
EP3475554A1 EP17727561.7A EP17727561A EP3475554A1 EP 3475554 A1 EP3475554 A1 EP 3475554A1 EP 17727561 A EP17727561 A EP 17727561A EP 3475554 A1 EP3475554 A1 EP 3475554A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
flap
flow
bearing
central axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17727561.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alpay CAPAN
Christian Antoni
Elina Sovva
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP3475554A1 publication Critical patent/EP3475554A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F02M26/70—Flap valves; Rotary valves; Sliding valves; Resilient valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/08—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • 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
    • F02D9/107—Manufacturing or mounting details

Definitions

  • the invention relates to an exhaust valve device for an internal combustion engine with a flow housing with opposite bearing mounts, which defines a flow channel, a valve body with two flap wings, a shaft on which the valve body is mounted, two bearings, via which the shaft is mounted in the bearing receivers of the flow housing a first abutment surface formed on the flow housing, directed toward the flow and against which the first flapper blade abuts in a position closing the flow channel, and a second abutment surface formed against the flowstream on the flow housing and in the axial direction of the flow channel considered opposite to the first stop surface is arranged and against which the second flap wing in the flow passage occluding position is applied and a gap between the shaft and the surrounding bearing and a procedural ren for mounting an exhaust valve device in which the bearings are inserted into the flow housing, the shaft is pushed into the bearings and then the flap body is mounted on the shaft.
  • Such exhaust valve devices can be produced in the form of butterfly valves and used, for example, as exhaust gas recirculation flap or exhaust gas flap. Due to the steadily increased reduction of pollutant emissions, the requirements regarding the tightness of these valves in the closed state also increase. Because of this, a variety of Exhaust flap devices have become known in which in the area of the stop surfaces on the housing or on the peripheral edge of the valve body flexible materials are used, to be compensated by the occurring thermal strains or existing manufacturing tolerances. However, it is difficult to find materials that are sufficiently chemically and thermally resilient in the existing in the exhaust gas environment aggressive environment and maintain their flexibility over a long life accordingly.
  • DE 103 16 304 AI discloses an eccentrically arranged to the central axis of the flow channel flap, the two flap wings have different thicknesses.
  • the flap is supported by two bearings, of which a first bearing is made with little play to the shaft and a second bearing, which is arranged in a blind bore of the housing, with significantly larger shaft play is designed, the first bearing, however, a tilting movement of the shaft to allow in this floating camp. This makes it possible that the flap body rests against both stops on the housing by the shaft is axially displaced, in particular in the first bearing.
  • Nominal stop surface is understood to be the position at which the stop surface would be arranged in comparison to the central axis if no tolerances were permitted.
  • these tolerances are now always compensated by a gap between the inner diameter of the bearing and the shaft assuming a centered position of the shaft in the bearing is designed so that a possible movement of the shaft in the bearing even with displacement of the shaft in the camp preserved.
  • a first maximum possible tolerance with respect to the axial displacement of the first abutment surface to the central axis of the bearing receptacle and a second maximum possible tolerance with respect to the axial displacement of the second abutment surface to the central axis of the bearing receiver the amounts of these possible shifts are added and divided by 2. This result is then assumed for the circumferential gap between the shaft and the bearing, because this corresponds to the maximum displacement, if one wing would strike earlier compared to the normal position and the other wing would strike later than nominally.
  • the circumferential gap corresponds to a maximum of 1.1 times half the sum of the amounts of the maximum possible axial displacement of the first nominal abutment surface to the central axis of the bearing mounts and the second nominal abutment surface to the central axis of the bearing mounts due to the manufacturing tolerances and thermal expansions.
  • the gaps that can occur between the shaft and the bearings and of which an optionally existing leakage is dependent on the outside, despite the possible displacement of the shaft in the camps are minimized as far as possible.
  • a particularly preferred embodiment is obtained when the axial manufacturing tolerances of the abutment surfaces to the central axis of the bearing mounts are greater against the flow direction than in the flow direction. This means that, on average, the flap body is displaced in its channel closing position to the nominal position against the flow direction, whereby the flow-directed gap between the bearings and the shaft is minimized. Accordingly, the leakage to the outside is once again significantly reduced.
  • the shaft is also pushed through a corresponding bore of the valve body during insertion of the shaft. Accordingly, the valve body surrounds the channel inside the shaft, whereby the edge region of the valve body in the region of the bearings covers the gap between the shaft and the bearings. This additionally reduces the leakage.
  • connection between the shaft and valve body is produced by welding, whereby a durable solid connection is created. A warping by the thermal stress during welding is excluded by pressing the flap against the stop surfaces.
  • a flap device and a method for mounting such a flap device in an internal combustion engine which has a high tightness to the outside and with the flap closed within the channel.
  • no additional components are needed, nor is there an uneven load on the bearings used, which, as well as the rest of the other flap device have a long life accordingly. Also occurring thermal expansions of the flow housing do not lead to an increase in the leakage.
  • Exhaust flap device is shown in the figures and, like the method according to the invention, will be described below with reference to the figures.
  • Figure 1 shows a schematic top view of an exhaust valve device according to the invention in a sectional view.
  • FIGS 2 to 4 show schematic side views of the exhaust valve device according to the invention of Figure 1 in the various possible tolerance deviations.
  • the exhaust valve device consists of a flow housing 10, in which a flow channel 12 is formed. A free flow-through cross section of this flow channel 12 is controlled by rotation of a flap body 14 in the flow channel 12.
  • the flap body 14 is for this purpose mounted on a shaft 16 which is mounted centrally on both sides in the flow housing 10, so that the flap body 14 through the shaft 16 in two flap wings 18, 20, the here flap halves are split.
  • opposite bearing seats 22, 24 are formed on the flow housing, in each of which a bearing 26, 28, which may be designed in particular as a sliding bearing, is arranged.
  • the one end of the shaft 16 protrudes through the bearing 26 out of the flow housing 10 to the outside and is coupled to an actuator, not shown, via which the shaft 16 is rotatable with the valve body 14 in the flow channel 12.
  • a first shoulder formed in one half of the flow cross section is formed on the inner wall, which serves as a first stop surface 30 for the first flap wing 18, which faces the flow as directed against the flow direction.
  • a further shoulder is formed on the inner wall of the flow housing, which serves as a second stop surface 32 for the second flap wing 20 and facing in the opposite direction, that is arranged in the flow shadow.
  • the bearing receivers 22, 24 have a central axis 34, which has a certain axial distance to the two stop surfaces 30, 32. Due to manufacturing tolerances and thermal expansion of the housing, it may therefore happen in known embodiments that, for example, the first flap wing 18 abuts against its stop surface 30, while the second flap wing 20 is still spaced from the stop surface 32. This leads to undesired leakage and reduced tightness when desired closure of the flow channel 12 through the valve body 14th
  • a circumferential gap 36 is provided between the outer diameter of the shaft 16 and the inner diameter of the bearings 26, 28, which allows a slight axial displacement of the shaft 16.
  • the size of this gap corresponds to the invention Half the sum of the amounts of a maximum possible axial displacement of the first nominal abutment surface to the nominal center axis of the bearing mounts and the second nominal abutment surface to the nominal center axis of the bearing mounts due to the manufacturing tolerances.
  • FIG. 2 shows the case that due to the manufacturing tolerances or by reducing the length due to reduced temperatures, the first stop surface 30 compared to a first nominal stop surface 38 according to their design and thus also to the central axis of the bearings 26, 28 against Flow direction is shifted and the second stop surface 32 is displaced in the flow direction compared to a nominal second stop surface 40.
  • the nominal stop surfaces 38, 40 at the end of the flap wings 18, 20 shown in dashed lines are shown in the drawings. In the case of a centrally mounted shaft 16, an overlap of the flap wings 18, 20 with the actual stop faces 30, 32 would therefore take place.
  • the displacement a of the first abutment surface 30 in comparison to the first nominal abutment surface 38 is greater than the displacement b of the second abutment surface 32 in comparison to the nominal second abutment surface 40.
  • the consequent displacement c of the central axis of the shaft 16 in the bearings 26, 28 can be calculated by calculating the displacement a minus displacement b divided by 2, where a and b are used as unsigned amounts.
  • FIG. 3 illustrates the case in which the first stop surface 30 is displaced in the direction of flow in comparison to the first nominal stop surface 38 and thus also to the center axis of the bearings 26, 28, and the second stop surface 32 is displaced compared to a nominal second stop surface 40 is displaced against the flow direction.
  • the displacement a of the first stop face 30 is greater than the displacement b of the second stop face compared to the first nominal stop face 38 32 compared to the nominal second abutment surface 40. This means that upon rotation of the shaft 16 first of the second flap wing 20 against the second stop surface 40 applies.
  • the shaft 16 shifts in the flow direction in the bearings 26, 28, until the first flap wing 18 also applies against the first stop surface 30.
  • the resulting displacement c of the central axis of the shaft 16 in the bearings 26, 28 is recalculated by the displacement a minus displacement b divided by 2 is calculated, where a and b are used as unsigned amounts. In comparison with FIG. 2, however, the shaft axis would be displaced in the flow direction.
  • FIG. 4 shows the case in which both abutment surfaces 30, 32 are displaced in the opposite direction to the nominal abutment surfaces 38, 40, thereby overlapping the first valve vane 18 with the shaft 16 supported centrally and overlapping the second valve vane 20 a gap would arise.
  • This has the consequence that first the first flap wing 18 is applied against the stop surface 30. Further rotation of the shaft 16 leads to displacement of the shaft 16 in the bearings 26, 28 to the fact that finally the second flap wing 20 is present. In this state, the smallest gap is again facing the flow.
  • this displacement c of the shaft 16 is calculated, in contrast to the other treated deviation cases, from half the sum of the amounts of the two individual deviations between the respective abutment surface 30, 32 compared to the respective nominal abutment surface 38, 40. Since this displacement c is greater as the displacements in the other cases mentioned, this largest possible displacement c is also to be used in the design of the circumferential gap 36. In order to additionally ensure that, with the maximum possible deviation from the nominal state, there is no jamming of the shaft 16 in the bearings 26, 28, this calculated maximum gap is multiplied by 1.02 to 1.09 or maximally 1.1 and the sizes of the shaft outer diameter and Inner bearing diameter designed accordingly.
  • the flow housing 10 is first cast and corresponding bores, which serve as bearing receivers 22, 24, are introduced opposite to the housing wall of the flow housing 10.
  • the bearings 26, 28 are used.
  • the shaft is first pushed through the bearing 26 and then pushed through a bore of the valve body 14 until the shaft 16 projects into the bearing 28.
  • a force is applied to the valve body, through which the valve flap 18, 20 to be applied is pressed against its stop surface 30, 32.
  • the flap body 14 is fixed to the shaft 16, in particular by welding. Accordingly, the actuator and the necessary rotation angle of the shaft can be set to the attacks.
  • the described exhaust valve device is characterized in that regardless of strains of the flow housing due to heat input and regardless of existing tolerances always a safe complete closure of the flow channel can be achieved. This minimizes leaks. By additionally specifying in which direction a displacement of the shaft is expected to occur in the bearing, the leakage is also reduced to the outside.
  • the exhaust valve device is very easy to assemble and manufacture.
  • valve shapes are conceivable as well as an off-center shaft arrangement.
  • bearings can be used or the bearings can be carried out differently, without departing from the scope of the main claim.

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Abstract

Es sind Abgasklappenvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen, bei denen im den Kanal (12) verschließenden Zustand eines Klappenkörpers (14) die Klappenflügel (18, 20) gegen ihnen zugeordnete Anschlagflächen (30, 32) anliegen, bekannt. Um auch bei thermischen Dehnungen oder anfallenden Herstellungstoleranzen einen sicheren Verschluss des Kanals durch ein Anliegen beider Klappenflügel an ihren Anschlagflächen im geschlossenen Zustand der Klappe sicherzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein umlaufender Spalt (36) zwischen den Innendurchmessern beider Lager (26, 28) und dem Außendurchmesser der Welle (16) mindestens der Hälfte der Summe der Beträge von einer aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche (38) zur Mittelachse der Lageraufnahmen (22, 24) und der zweiten nominellen Anschlagfläche (40) zur Mittelachse (34) der Lageraufnahmen (22, 24) entspricht.

Description

B E S C H R E I B U N G
Abgasklappenvorrichtung und Verfahren zur Montage einer derartigen Abgasklappenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse mit gegenüberliegenden Lageraufnahmen, welches einen Strömungskanal begrenzt, einem Klappenkörper mit zwei Klappenflügeln, einer Welle, auf der der Klappenkörper befestigt ist, zwei Lagern, über die die Welle in den Lageraufnahmen des Strömungsgehäuses gelagert ist, einer ersten Anschlagfläche, die am Strömungsgehäuse ausgebildet ist, zur Strömung gerichtet ist und gegen die der erste Klappenflügel in einer den Strömungskanal verschließenden Position anliegt, und einer zweiten Anschlagfläche, die am Strömungsgehäuse ausgebildet, entgegen der Strömung gerichtet ist und in axialer Richtung des Strömungskanals betrachtet entgegengesetzt zur ersten Anschlagfläche angeordnet ist und gegen die der zweite Klappenflügel in der den Strömungskanal verschließenden Position anliegt und einem Spalt zwischen der Welle und dem umgebenden Lager sowie einem Verfahren zur Montage einer Abgasklappenvorrichtung, bei dem die Lager in das Strömungsgehäuse eingesetzt werden, die Welle in die Lager geschoben wird und anschließend der Klappenkörper auf der Welle befestigt wird.
Derartige Abgasklappenvorrichtungen können in Form von Schmetterlingsventilen hergestellt und beispielsweise als Abgasrückführklappe oder Abgasstauklappe eingesetzt werden. Durch die stetig erhöhte Reduzierung der Schadstoffemissionen steigen auch die Anforderungen bezüglich der Dichtheit dieser Klappen im geschlossenen Zustand. Aus diesem Grund ist eine Vielzahl an Abgasklappenvorrichtungen bekannt geworden, bei denen im Bereich der Anschlagflächen am Gehäuse oder am Umfangsrand der Klappenkörper flexible Materialien eingesetzt werden, durch die auftretende thermische Dehnungen oder vorhandene Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden sollen. Es ist jedoch schwierig, Materialien zu finden, die in der im Abgasbereich vorhandenen aggressiven Umgebung ausreichend chemisch und thermisch belastbar sind und über eine lange Lebensdauer entsprechend ihre Flexibilität erhalten.
Um eine solche flexible Randdichtung nicht nutzen zu müssen, wird in der DE 103 16 304 AI eine exzentrisch zur Mittelachse des Strömungskanals angeordnete Klappe offenbart, deren beiden Klappenflügel unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Klappe wird über zwei Lager gelagert, von denen ein erstes Lager mit geringem Spiel zur Welle ausgeführt wird und ein zweites Lager, welches in einer Sackbohrung des Gehäuses angeordnet ist, mit deutlich größerem Wellenspiel ausgelegt wird, wobei das erste Lager jedoch eine Kippbewegung der Welle in diesem schwimmenden Lager ermöglichen soll. Hierdurch wird es möglich, dass sich der Klappenkörper an beiden Anschlägen am Gehäuse anlegt, indem die Welle insbesondere im ersten Lager axial verschoben wird. So kann zwar durch die Sicherstellung der Anlage der Klappe an den Anschlägen die Dichtigkeit verbessert werden, jedoch entsteht eine ungleichmäßige Belastung des zum Aktor weisenden Lagers, da dieses Kippbewegungen aufnehmen muss. Dies kann zu einem einseitigen Ausschlagen des Lagers führen, welches bei längerem Betrieb zu Undichtigkeiten zwischen der Welle und dem Lager führen kann.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasklappenvorrichtung sowie ein Verfahren zur Montage einer derartigen Abgasklappenvorrichtung zu schaffen, mit denen ohne die Verwendung zusätzlicher Bauteile eine hohe Dichtigkeit sowohl bezüglich der Strömung innerhalb des Kanals bei geschlossener Klappe als auch nach außen sichergestellt werden kann und bei unterschiedlichen Temperaturen aufrecht erhalten wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage einer derartigen Abgasklappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 4 gelöst.
Dadurch, dass ein umlaufender Spalt zwischen den Innendurchmessern beider Lager und dem Außendurchmesser der Welle mindestens der Hälfte der Summe der Beträge von einer aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen und der zweiten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen entspricht, wird erreicht, dass die Welle mit dem Klappenkörper immer so weit gedreht werden kann, bis der Klappenkörper an beiden Anschlagflächen anliegt. Dabei erfolgt bei ungleichen Toleranzen eine geringe Verschiebung der Welle in den Lagern, welche jedoch gleichmäßig ist, so dass keine Kippbewegungen in den Lagern erfolgt, die diese schädigen könnte. So wird ein sehr dichter Verschluss des Strömungskanals über eine lange Lebensdauer sichergestellt. Beim Gießen des Strömungsgehäuses können keine beliebig kleinen Toleranzen eingehalten werden. Daher kommt es unter anderem dazu, dass die beiden Anschlagflächen zur Mittelachse der Lageraufnahmen geringfügig axial verschoben sind im Vergleich zur nominellen Lage, in der die Klappe beispielsweise in ihrer senkrechten, den Kanal verschließenden Stellung gegen beide Anschläge anliegt und die Wellenachse mit der Mittelachse der Lageraufnahmen zusammenfällt. Zusätzlich lassen sich auch Toleranzen durch auftretende thermische Dehnungen bestimmen, die ebenfalls einzurechnen sind. Unter einem umlaufenden Spalt wird diesbezüglich ein Spalt verstanden, der in gleichmäßiger Größe über den gesamten Umfang der Welle zwischen der Welle und dem Lager vorhanden wäre, wenn die Mittelachse der Lager und der Welle identisch sind. Unter nomineller Anschlagfläche wird dabei die Position verstanden, an der die Anschlagfläche im Vergleich zur Mittelachse angeordnet wäre, wenn keine Toleranzen zugelassen würden. Diese jedoch zuzulassenden Toleranzen werden nun immer dadurch ausgeglichen, dass ein Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Lager und der Welle unter der Annahme einer zentrierten Lage der Welle im Lager so ausgelegt wird, dass eine mögliche Bewegung der Welle im Lager auch bei Verschiebung der Welle im Lager erhalten bleibt. Beträgt eine erste maximal mögliche Toleranz bezüglich der axialen Verschiebung der ersten Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahme und eine zweite maximal mögliche Toleranz bezüglich der axialen Verschiebung der zweiten Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahme werden die Beträge dieser möglichen Verschiebungen addiert und durch 2 dividiert. Dieses Ergebnis wird dann für den umlaufenden Spalt zwischen Welle und Lager angenommen, denn dies entspricht der maximalen Verschiebung, wenn der eine Klappenflügel im Vergleich zur normalen Stellung früher anschlagen würde und der andere Klappenflügel erst später anschlagen würde als dies nominell der Fall ist.
Bezüglich des Verfahrens zur Montage der Klappenvorrichtung wird dadurch, dass der Klappenkörper auf der Welle befestigt wird, wenn der Klappenkörper mit seinen beiden Klappenflügeln gegen die beiden Anschlagflächen gedrückt wird, erreicht, dass ein vollständiger Verschluss des Kanals erreicht werden kann und keine Fehler bei der Montage auftreten können. Bei dieser Art der Befestigung kann es passieren, dass die Welle durch den Klappenkörper in eine zur Mittelachse der Lager axial verschobenen Position gedrückt wird, welche jedoch auch im Betrieb eingenommen werden kann. So wird eine gleichmäßige Belastung der Lager ohne Kippmomente bei gleichzeitig dichtem Verschluss des Strömungskanals durch den Klappenkörper sichergestellt. Vorzugsweise entspricht der umlaufende Spalt maximal dem 1,1-fachen der Hälfte der Summe der Beträge von der aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen und der zweiten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen. Hierdurch werden die Spalte, die zwischen der Welle und den Lagern auftreten können und von denen eine gegebenenfalls vorhandene Leckage nach außen abhängig ist, trotz der möglichen Verschiebung der Welle in den Lagern weitestgehend minimiert.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergibt sich, wenn die axialen Fertigungstoleranzen der Anschlagflächen zur Mittelachse der Lageraufnahmen entgegen der Strömungsrichtung größer sind als in Strömungsrichtung. Dies bedeutet, dass im Durchschnitt der Klappenkörper in seiner den Kanal verschließenden Position zur nominellen Position entgegen der Strömungsrichtung verschoben wird, wodurch der zur Strömung gerichtete Spalt zwischen den Lagern und der Welle minimiert ist. Entsprechend wird auch die Leckage nach außen zur Umgebung noch einmal deutlich reduziert.
In einer Weiterführung des Verfahrens wird beim Einschieben der Welle die Welle auch durch eine entsprechende Bohrung des Klappenkörpers geschoben. Entsprechend umgibt der Klappenkörper im Kanalinneren die Welle, wodurch der Randbereich des Klappenkörpers im Bereich der Lager den Spalt zwischen der Welle und den Lagern überdeckt. Dies reduziert zusätzlich die Leckage.
Besonders vorteilhaft ist es des Weiteren, wenn die Verbindung zwischen Welle und Klappenkörper durch Schweißen hergestellt wird, wodurch eine dauerhaltbare feste Verbindung geschaffen wird. Ein Verziehen durch die thermische Belastung beim Schweißen ist durch das Andrücken der Klappe gegen die Anschlagflächen ausgeschlossen.
Es wird somit eine Klappenvorrichtung sowie ein Verfahren zur Montage einer derartigen Klappenvorrichtung in einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche eine hohe Dichtigkeit nach außen und bei geschlossener Klappe innerhalb des Kanals aufweist. Hierzu werden weder zusätzliche Bauteile benötigt, noch entsteht eine ungleichmäßige Belastung der verwendeten Lager, die entsprechend ebenso wie die gesamte übrige Klappenvorrichtung eine lange Lebensdauer aufweisen. Auch auftretende thermische Dehnungen des Strömungsgehäuses führen nicht zu einer Erhöhung der Leckage.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Abgasklappenvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figuren nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Kopfansicht einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematische Seitenansichten der erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung aus Figur 1 in den verschiedenen möglichen Toleranzabweichungen.
Die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung besteht aus einem Strömungsgehäuse 10, in dem ein Strömungskanal 12 ausgebildet ist. Ein freier durchströmbarer Querschnitt dieses Strömungskanals 12 wird durch Drehung eines Klappenkörpers 14 im Strömungskanal 12 geregelt. Der Klappenkörper 14 ist hierzu auf einer Welle 16 befestigt, welche beidseitig zentrisch im Strömungsgehäuse 10 gelagert ist, so dass der Klappenkörper 14 durch die Welle 16 in zwei Klappenflügel 18, 20, die hier Klappenhälften sind, geteilt wird. Zur Lagerung sind am Strömungsgehäuse 10 gegenüberliegende Lageraufnahmen 22, 24 ausgebildet, in denen jeweils ein Lager 26, 28, welches insbesondere als Gleitlager ausgeführt sein kann, angeordnet ist. Das eine Ende der Welle 16 ragt durch das Lager 26 aus dem Strömungsgehäuse 10 nach außen und ist mit einem nicht dargestellten Aktor gekoppelt, über welche die Welle 16 mit dem Klappenkörper 14 im Strömungskanal 12 drehbar ist.
Im Strömungsgehäuse 10 ist an der Innenwand ein in der einen Hälfte des Strömungsquerschnitts ausgebildeter erster Absatz ausgebildet, der als erste Anschlagfläche 30 für den ersten Klappenflügel 18 dient, welche zur Strömung weist als entgegen der Strömungsrichtung gerichtet ist. In der anderen Hälfte des Strömungsquerschnitts ist an der Innenwand des Strömungsgehäuses ein weiterer Absatz ausgebildet, der als zweite Anschlagfläche 32 für den zweiten Klappenflügel 20 dient und in entgegengesetzter Richtung weist, also im Strömungsschatten angeordnet ist.
Die Lageraufnahmen 22, 24 weisen eine Mittelachse 34 auf, die einen bestimmten axialen Abstand zu den beiden Anschlagflächen 30, 32 aufweist. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen des Gehäuses kann es daher in bekannten Ausführungen passieren, dass beispielsweise der erste Klappenflügel 18 an seiner Anschlagfläche 30 anliegt, während der zweite Klappenflügel 20 noch beabstandet zur Anschlagfläche 32 ist. Dies führt zu unerwünschten Leckagen und verringerter Dichtigkeit bei gewünschtem Verschluss des Strömungskanals 12 durch den Klappenkörper 14.
Aus diesem Grund wird zwischen dem Außendurchmesser der Welle 16 und dem Innendurchmesser der Lager 26, 28 ein umlaufender Spalt 36 vorgesehen, der eine geringfügige axiale Verschiebung der Welle 16 zulässt. Die Größe dieses Spaltes entspricht dabei erfindungsgemäß der Hälfte der Summe der Beträge von einer aufgrund der Fertigungstoleranzen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche zur nominellen Mittelachse der Lageraufnahmen und der zweiten nominellen Anschlagfläche zur nominellen Mittelachse der Lageraufnahmen.
Dies wird im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 beschrieben. In der Figur 2 ist der Fall dargestellt, dass aufgrund der Fertigungstoleranzen oder durch ein Verringern der Länge durch verringerte Temperaturen, die erste Anschlagfläche 30 im Vergleich zu einer ersten nominellen Anschlagfläche 38 entsprechend ihrer Auslegung und damit auch zur Mittelachse der Lager 26, 28 entgegen der Strömungsrichtung verschoben ist und die zweite Anschlagfläche 32 im Vergleich zu einer nominellen zweiten Anschlagfläche 40 in Strömungsrichtung verschoben ist. Dabei sind die nominellen Anschlagflächen 38, 40 am Ende der gestrichelt dargestellten Klappenflügel 18, 20 in den Zeichnungen dargestellt. Bei mittig gelagerter Welle 16 fände somit eine Überdeckung der Klappenflügel 18, 20 mit den tatsächlichen Anschlagflächen 30, 32 statt. In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Verschiebung a der ersten Anschlagfläche 30 im Vergleich zur ersten nominellen Anschlagfläche 38 größer als die Verschiebung b der zweiten Anschlagfläche 32 im Vergleich zur nominellen zweiten Anschlagfläche 40. Dies bedeutet, dass sich bei Drehung der Welle 16 zunächst der zweite Klappenflügel 20 gegen die zweite Anschlagfläche 32 anlegt. Durch Weiterdrehen verschiebt sich die Welle 16 in Strömungsrichtung in den Lagern 26, 28, bis der erste Klappenflügel 18 ebenfalls gegen die erste Anschlagfläche 30 anlegt. Die daraus folgende Verschiebung c der Mittelachse der Welle 16 in den Lagern 26, 28 kann berechnet werden, indem die Verschiebung a minus Verschiebung b geteilt durch 2 gerechnet wird, wobei a und b als Beträge ohne Vorzeichen eingesetzt werden. Es wird hierbei deutlich, dass es sehr vorteilhaft ist, wenn die gewählten Toleranzen so bestimmt werden beziehungsweise die Auslegung derart erfolgt, dass eine Verschiebung der Anschlagflächen 30, 32 eher entgegen der Strömungsrichtung erfolgt beziehungsweise bei in unterschiedlicher Richtung verlaufenden Verschiebungen die Verschiebung entgegen der Strömungsrichtung größer ist, da dies auch eine Verschiebung der Welle 16 entgegen der Strömungsrichtung zur Folge hat. Dies bedeutet, dass die Welle 16 in den Lagern 26, 28 ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung verschoben wird, so dass der von der Strömung angeströmte Spalt sehr klein ist. Dies führt zu einer Verringerung der Leckage nach außen durch das Lager 26. Sind beide Verschiebungen a, b gleich groß, verbleibt die Welle 16 in ihrer zentrierten Position in den Lagern 26, 28.
In Figur 3 ist der Fall dargestellt, dass sich die erste Anschlagfläche 30 im Vergleich zur ersten nominellen Anschlagfläche 38 entsprechend ihrer Auslegung und damit auch zur Mittelachse der Lager 26, 28 in Strömungsrichtung verschoben ist und die zweite Anschlagfläche 32 im Vergleich zu einer nominellen zweiten Anschlagfläche 40 entgegen der Strömungsrichtung verschoben ist. Bei mittig gelagerter Welle befände sich somit ein Spalt zwischen den Enden der Klappenflügel 18, 20 und den tatsächlichen Anschlagflächen 30, 32. Dabei ist erneut die Verschiebung a der ersten Anschlagfläche 30 im Vergleich zur ersten nominellen Anschlagfläche 38 größer als die Verschiebung b der zweiten Anschlagfläche 32 im Vergleich zur nominellen zweiten Anschlagfläche 40. Dies bedeutet, dass sich bei Drehung der Welle 16 zunächst der zweite Klappenflügel 20 gegen die zweite Anschlagfläche 40 anlegt. Durch Weiterdrehen verschiebt sich die Welle 16 in Strömungsrichtung in den Lagern 26, 28, bis der erste Klappenflügel 18 ebenfalls gegen die erste Anschlagfläche 30 anlegt. Die daraus folgende Verschiebung c der Mittelachse der Welle 16 in den Lagern 26, 28 wird erneut berechnet, indem die Verschiebung a minus Verschiebung b geteilt durch 2 gerechnet wird, wobei a und b als Beträge ohne Vorzeichen eingesetzt werden. Im Vergleich zu Figur 2 würde hierbei die Wellenachse jedoch in Strömungsrichtung verschoben.
In Figur 4 ist nun schließlich der Fall dargestellt, bei dem beide Anschlagflächen 30, 32 im Vergleich zu den nominellen Anschlagflächen 38, 40 entgegen der Strömungsrichtung verschoben sind, wodurch am ersten Klappenflügel 18 bei mittig gelagerter Welle 16 eine Überdeckung erfolgen würde und am zweiten Klappenflügel 20 ein Spalt entstünde. Dies hat zur Folge, dass zunächst der erste Klappenflügel 18 gegen die Anschlagfläche 30 angelegt wird. Ein Weiterdrehen der Welle 16 führt unter Verschiebung der Welle 16 in den Lagern 26, 28 dazu, dass schließlich auch der zweite Klappenflügel 20 anliegt. In diesem Zustand befindet sich der kleinste Spalt erneut der Strömung zugewandt. Diese Verschiebung c der Welle 16 berechnet sich jedoch im Gegensatz zu den anderen behandelten Abweichungsfällen aus der Hälfte der Summe der Beträge der beiden einzelnen Abweichungen zwischen der jeweiligen Anschlagfläche 30, 32 im Vergleich zur jeweiligen nominellen Anschlagfläche 38, 40. Da diese Verschiebung c größer ist als die Verschiebungen in den anderen genannten Fällen, ist diese größtmögliche Verschiebung c auch bei der Auslegung des umlaufenden Spaltes 36 zugrunde zu legen. Um zusätzlich sicherzustellen, dass bei maximal möglicher Abweichung vom nominellen Zustand kein Hängenbleiben der Welle 16 in den Lagern 26, 28 erfolgt, wird dieser berechnete Maximalspalt mit 1,02 bis 1,09 oder maximal 1,1 multipliziert und die Größen des Wellenaußendurchmessers und des Lagerinnendurchmessers entsprechend ausgelegt.
Bei der Herstellung dieser Abgasklappenvorrichtung wird zunächst das Strömungsgehäuse 10 gegossen und entsprechende Bohrungen, welche als Lageraufnahmen 22, 24 dienen, gegenüberliegend an der Gehäusewand des Strömungsgehäuses 10 eingebracht. In diese Lageraufnahmen 22, 24 werden die Lager 26, 28 eingesetzt. Anschließend wird die Welle zunächst durch das Lager 26 geschoben und anschließend durch eine Bohrung des Klappenkörpers 14 geschoben, bis die Welle 16 in das Lager 28 ragt. Daraufhin wird beidseits des Klappenkörpers jeweils eine Kraft auf den Klappenkörper aufgebracht, durch welche der anzulegende Klappenflügel 18, 20 gegen seine Anschlagfläche 30, 32 gedrückt wird. In diesem Zustand wird der Klappenkörper 14 an der Welle 16 insbesondere durch Schweißen befestigt. Entsprechend kann auch der Aktor und der notwendige Drehwinkel der Welle zu den Anschlägen festgelegt werden.
Die beschriebene Abgasklappenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass unabhängig von Dehnungen des Strömungsgehäuses aufgrund von Wärmeeintrag und unabhängig von vorhandenen Toleranzen immer ein sicherer vollständiger Verschluss des Strömungskanals erreicht werden kann. So werden Leckagen minimiert. Durch die zusätzliche Vorgabe, in welcher Richtung eine Verschiebung der Welle im Lager voraussichtlich erfolgt, wird auch die Leckage nach außen verringert. Die Abgasklappenvorrichtung ist sehr einfach zu montieren und herzustellen.
Es sollte deutlich sein, dass verschiedene Klappenformen ebenso denkbar sind wie eine außermittige Wellenanordnung. Auch können verschiedene Lager verwendet werden oder die Lagerstellen anders ausgeführt werden, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.

Claims

Pierburg GmbH, 41460 Neuss P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse (10) mit gegenüberliegenden Lageraufnahmen (22, 24), welches einen Strömungskanal (12) begrenzt,
einem Klappenkörper (14) mit zwei Klappenflügeln (18, 20), einer Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) befestigt ist, zwei Lagern (26, 28), über die die Welle (16) in den Lageraufnahmen (22, 24) des Strömungsgehäuses (10) gelagert ist,
einer ersten Anschlagfläche (30), die am Strömungsgehäuse (10) ausgebildet ist, zur Strömung gerichtet ist und gegen die der erste Klappenflügel (18) in einer den Strömungskanal (10) verschließenden Position anliegt, und einer zweiten Anschlagfläche (32), die am Strömungsgehäuse (10) ausgebildet, entgegen der Strömung gerichtet ist und in axialer Richtung des Strömungskanals (10) betrachtet entgegengesetzt zur ersten Anschlagfläche (30) angeordnet ist und gegen die der zweite Klappenflügel (20) in der den Strömungskanal (10) verschließenden Position anliegt, und einem Spalt (42) zwischen der Welle (16) und dem umgebenden Lager (26, 28),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein umlaufender Spalt (36) zwischen den Innendurchmessern beider Lager (26, 28) und dem Außendurchmesser der Welle (16) mindestens der Hälfte der Summe der Beträge von einer aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche (38) zur Mittelachse der Lageraufnahmen (22, 24) und der zweiten nominellen Anschlagfläche (40) zur Mittelachse (34) der Lageraufnahmen (22, 24) entspricht.
2. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der umlaufende Spalt (36) maximal dem 1,1-fachen der Hälfte der Summe der Beträge von der aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche (38) zur Mittelachse (34) der Lageraufnahmen (22, 24) und der zweiten nominellen Anschlagfläche (40) zur Mittelachse (34) der Lageraufnahmen entspricht.
3. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die axialen Fertigungstoleranzen der Anschlagflächen (30, 32) zur Mittelachse (34) der Lageraufnahmen (22, 24) entgegen der Strömungsrichtung größer sind als in Strömungsrichtung.
4. Verfahren zur Montage einer Abgasklappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Lager (26, 28) in die Lageraufnahmen (22, 24) des Strömungsgehäuses (10) eingesetzt werden,
die Welle (16) in die Lager (26, 28) geschoben wird,
der Klappenkörper (14) auf der Welle (16) befestigt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Klappenkörper (14) auf der Welle (16) befestigt wird, wenn der Klappenkörper (14) mit seinen beiden Klappenflügeln (18, 20) gegen die beiden Anschlagflächen (30, 32) gedrückt wird.
5. Verfahren zur Montage einer Abgasklappenvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschieben der Welle (16) die Welle (16) auch durch eine entsprechende Bohrung des Klappenkörpers (14) geschoben wird.
Verfahren zur Montage einer Abgasklappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung zwischen Welle (16) und Klappenkörper (14) durch Schweißen hergestellt wird.
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