EP4208635A1 - Klappenvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Klappenvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine

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EP4208635A1
EP4208635A1 EP20767755.0A EP20767755A EP4208635A1 EP 4208635 A1 EP4208635 A1 EP 4208635A1 EP 20767755 A EP20767755 A EP 20767755A EP 4208635 A1 EP4208635 A1 EP 4208635A1
Authority
EP
European Patent Office
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sealing ring
heating element
flap
flap device
connection
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Withdrawn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
EP20767755.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Rothgang
Hendrik Ferner
Thomas DITGES
Frank Bürger
Christoph RÜBERG
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP4208635A1 publication Critical patent/EP4208635A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D11/10—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type
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    • F16K1/18—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps
    • F16K1/20—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps with axis of rotation arranged externally of valve member
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    • F02D9/104—Shaping of the flow path in the vicinity of the flap, e.g. having inserts in the housing
    • F02D9/1045—Shaping of the flow path in the vicinity of the flap, e.g. having inserts in the housing for sealing of the flow in closed flap position, e.g. the housing forming a valve seat

Definitions

  • the invention relates to a valve device with a flow housing with an adjustable flow cross section, an actuator, a valve body, a shaft on which the valve body is attached and which can be rotated via the actuator, a separate sealing ring attached in the flow housing, which surrounds the adjustable flow cross section and against which the flap body rests to close the flow cross section.
  • flap devices are used in particular in motor vehicles to regulate air or exhaust gas flows.
  • these are particularly tight flaps that are suitable both for being attached to internal combustion engines and in the air or hydrogen circuits of a fuel cell drive.
  • condensates often form in the drive train due to moisture in the air, in the exhaust gas or the water content required in the fuel cell. At low temperatures, these condensates cause problems, especially when starting a vehicle from cold, since they often collect between the movable control body and the valve seat and freeze there. Forcibly detaching the control body from the valve seat by actuating the actuator with great force, damage may occur due to cracks or contractions in the sealing rings that form the valve seat, which is particularly to be feared when an elastic plastic sealing ring is used as the valve seat , which is often necessary for a sufficient tightness of the flap device.
  • Such a flap device with a separate elastic sealing ring is known, for example, from DE 92 17 697 U1, but this flap device is highly sensitive to the flap body freezing to the sealing ring. Accordingly, in order to generate sufficiently large breakaway torques, strong and large actuators must also be used in order to ensure that the flap functions during a cold start.
  • the task is therefore to provide a flap device with which very good tightness is ensured when the flow cross section is closed, i.e. when the flap body rests on the seat surface, and a sufficiently large volume flow can be guaranteed when the valve is open.
  • protection against freezing of the flap body to the seat a cold start and ambient temperatures below freezing.
  • an optional installation as well as an exchange of the heating element and, if possible, also of the valve seat should be able to be implemented without the entire housing of the flap device having to be removed and exchanged.
  • the flap device according to the invention has a flow housing with an inlet, an outlet and a duct section through which flow can take place. Furthermore, the flap device consists of an actuator, which can be designed in particular as an electric motor with a gearbox connected to it. This actuator actuates, for example via the gear, a shaft that protrudes into the duct section and on which a flap body is attached, so that when the actuator is actuated, its rotational movement is transmitted to this flap body in a reduced manner via the gear, causing it to move between an open position in which it largely releases an adjustable flow cross-section in the channel section and a position which closes the flow cross-section and in which the flap body rests on a sealing ring which surrounds the adjustable flow cross-section can be moved.
  • an actuator which can be designed in particular as an electric motor with a gearbox connected to it.
  • This actuator actuates, for example via the gear, a shaft that protrudes into the duct section and on which a flap body is attached, so that when the actuator is
  • the sealing ring serves as a seat for the flap body.
  • this sealing ring has an at least partially ring-shaped contact surface with a heating element, so that it can have a direct heating effect on it.
  • the heating element acts directly on the seat, resulting in a high level of efficiency and the ice can be dissolved in a short time.
  • the sealing ring and the flap body can be protected in this way from damage caused by sticking, which is particularly the case Use of elastic contact surfaces between valve body and sealing ring would be feared without using the heating element.
  • smaller actuators can be used since no breakaway torques have to be generated. This also reduces the energy consumption of the actuator during operation.
  • the sealing ring and heating element can also be removed from the flow housing and replaced if damage occurs.
  • the heating element is a heating wire with at least one connection line, which when energized generates heat due to its resistance, which heat is emitted directly to the sealing ring.
  • the use of a heating wire also has the advantage that it is easy to install and requires little additional space. Incidentally, such electrical heating reacts very quickly.
  • the connecting cable must be at least indirectly connected to a power source.
  • the heating wire advantageously surrounds the sealing ring directly.
  • the sealing ring and the heating wire can either be attached to one another before installation in the flow housing, or the heating wire is first inserted separately into the flow housing. In both cases, the result is a construction in which disassembly from the flow housing of the heating wire and the sealing ring is possible.
  • the sealing ring is an elastic sealing ring made of plastic is particularly advantageous.
  • This plastic can in particular be silicone, ethylene propylene diene (monomer) rubber, fluorine rubber (FKM) or a hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber.
  • FKM fluorine rubber
  • a high degree of tightness can also be achieved with flap valves when the flap body rests on the sealing ring, which adapts itself to the shape of the flap body due to its elasticity and thus compensates for existing tolerances and unevenness.
  • the otherwise existing sensitivity to damage when the valve body sticks to the valve seat is significantly reduced by the heating element, so that by this Combination a very long durability of such a tight flap device is achieved.
  • the heating element is a heating wire that is injected into the sealing ring. This eliminates the need for individual disassembly and replacement, but assembly is simplified and the heating wire is protected from damage by the surrounding material of the sealing ring. Furthermore, in this way the heat source is shifted even closer to the support surface, whereby the heating rate and thus the dissolution of existing ice particles is additionally accelerated.
  • the sealing ring can advantageously be designed as a lip sealing ring.
  • a lip sealing ring leads to very good sealing properties, so that the flap device is almost leak-free when the flap body rests on the sealing ring.
  • the heating element can be arranged in an axial annular groove of the sealing ring.
  • the heating wire can be arranged in the groove between the two legs. This simplifies assembly, while individual disassembly and thus individual replacement of the components can nevertheless take place. In addition, this creates a direct proximity to the seat with the advantage of faster heating.
  • the heating element is encapsulated with a plastic, with two connection contacts protruding from the plastic, with the encapsulated heating element having a contact surface with the sealing ring. Accordingly, there is direct heat conduction to the lip seal ring. Nevertheless, the optionality remains, so that the valve can be built with or without a heating element without having to change the design or individual components. The contact can be made directly via the two connection contacts protruding from the plastic take place, which can then be pressed against corresponding stamping comb spring ends in the housing.
  • the flow housing has an inlet connection piece and an outlet connection piece, with either the inlet connection piece or the outlet connection piece bearing axially against the sealing ring, as a result of which it is fastened.
  • a shoulder is to be provided on the flow housing, against which the sealing ring is pushed in order to be fixed in its position on the stop by subsequently pushing in the inlet connector or outlet connector against the sealing ring.
  • the heating element can also be fixed in a corresponding manner, in that the flow housing has an inlet connection or outlet connection which rests axially against the heating element after the inlet connection or the outlet connection has been pushed against the heating element, which can rest on a shoulder or axially on the sealing ring.
  • a bimetallic element can be arranged in the connecting line of the heating element, which establishes an electrical connection to the heating element when the temperature falls below a limit and interrupts it when the limit temperature is exceeded, so that only at temperatures actually occurring at which freezing occurs of the condensate on the seat surface is to be feared, heating also takes place. Unnecessary energy consumption is avoided in this way.
  • a PTC element is arranged in the connection line of the heating element, the conductivity of which increases with falling temperature, so that the current flow and thus the heating effect are increased with falling temperature. In this way, icing can be broken up even at extreme sub-zero temperatures, while the current is lower at temperatures around freezing point because the ice can be dissolved much more easily.
  • additional switches can be provided in the control unit to end the current flow.
  • the flap device has a position sensor which generates an output voltage which is dependent on the position of the flap body and which is at a maximum when the flap body rests on the sealing ring, and which is connected to a gate terminal of a mosfet which is in the connecting line of the heating element is arranged. It can thus be automatically ensured that the sealing ring and thus the seat surface are only heated when the flap body is actually resting on the sealing ring or is in its vicinity. This can be done in addition to the temperature-dependent control or individually.
  • the flap body preferably rests on the sealing ring during a cold start of an internal combustion engine or a fuel cell system. This ensures that no larger ice bridges form that require a longer period of dissolution. Furthermore, when using the circuit via the Mosfet, it is ensured that current is supplied. Alternatively, an open flap can also be provided when the device is switched off, which reduces the formation of ice bridges when the device is switched off. In the case of fuel cell systems in particular, however, it is often necessary to prevent condensate from flowing to the fuel cell when it is switched off.
  • a maximum energization time for the heating element is stored in a control unit of the flap device. Accordingly, there is no current flow after a cold start during operation.
  • the flap device according to the invention is accordingly characterized by a long service life while maintaining a high degree of tightness in the closed state, ie when the flap body is placed on the sealing ring. This is achieved by breaking up ice bridging in good time, while reducing the necessary power consumption to a minimum.
  • the heating element and the sealing ring are easy to assemble and disassemble.
  • FIG. 1 shows a side view of a flap device according to the invention in a partially sectioned illustration.
  • FIG. 2 shows a view of the flap device according to FIG. 1 rotated by 90°.
  • FIG. 3 shows a top view of the flap device from FIGS. 2 and 3 with the gear cover open.
  • Figure 4 shows an enlarged detail A from Figure 1.
  • the valve device shown in the figures consists of an actuator housing 10 in which an actuator 12 is arranged and a flow housing 14 through which a gas flow to be regulated can flow.
  • a first housing part 16 forms the actuator housing 10 and a section 17 of the flow housing 14 in which a controllable flow cross section 18 is formed, which is surrounded by a sealing ring 20 forming a valve seat.
  • the first housing part 16 has a receptacle 22 for an electric motor 24 and a gear receptacle 26 for a gear 28 designed as a spur gear.
  • the transmission mount 26 is closed by a cover 30 .
  • the flow housing 14 also has an inlet connector 40 and an outlet connector 42 which axially lengthen the channel 38 on both sides of the section 17 of the flow housing 14 .
  • the inlet connection piece 40 During assembly of the inlet connection piece 40 , this is pushed into the section 17 and with a second sealing ring 44 lying axially on the inlet connection piece 40 against the sealing ring 20 .
  • the sealing ring 20 is designed as an elastic lip sealing ring made of plastic, so that when the flap body 36 rotates it is pushed against the sealing ring 20, which is slightly compressible, so that when the flap body 36 makes contact, a tight closure of the channel 38 is achieved.
  • a heating element 48 designed as a heating wire is arranged between the sealing rings 20, 44, which in the present exemplary embodiment has two essentially ring-shaped contact surfaces 50 for the sealing ring 20, since the heating element 48 has two windings.
  • the heating element 48 it would also be possible to arrange the heating element 48 in a radially outer annular groove or in a groove between the legs of the sealing ring 20 or just to let it rest directly against the sealing ring 20 from the outside. It is also possible to overmould the heating element 48 during the production of the sealing ring 20 .
  • a non-visible electrical connection line extends from the heating element 48 to a plug 54 of the flap device, via which the heating element 48 can be supplied with current.
  • a bimetallic element also not shown
  • a PTC element is arranged in the connection line. When using the bimetallic element, this switches the Power supply from falling below a defined limit temperature of about 5 ° C, for example. At higher temperatures, the power supply is interrupted so that no heating takes place. If a PTC element is used instead of the bimetallic element, the flow of current and thus the heating effect of the heating element 48 increases as the temperature falls.
  • a mosfet with its drain connection and its source connection is arranged in the connection line.
  • a gate connection of the mosfet is connected to an output connection of a position sensor 68 or switch, which generates an increasing output voltage as the distance between the flap body 36 and the sealing ring 20 decreases, or switches when the flap body 36 rests on the sealing ring 20, whereby the mosfet only then switched through and thus the heating element 48 is energized when the flap body 36 actually rests on the sealing ring 20 or is at least in its vicinity.
  • a maximum energization time is set via a time switch in a control unit 70 of the flap device in order to prevent the heating element 48 from continuing to be energized when the ambient temperatures are low and the flap body 36 is closed.
  • this can also be done via an external control unit.
  • the flap body 36 is rotated into its closed position.
  • the condensates in the gas flow to be regulated can cause a layer of ice to form between the sealing ring 20 and the flap body 36, through which the flap body 36 would no longer be able to rotate freely.
  • Heating element 48 is connected to a voltage source, so that its electrical resistance generates heat, which is transferred directly to the sealing ring 20 by thermal conduction through the contact surface thereof.
  • the layer of ice is broken up and the flap body 36 can move freely.
  • This is particularly desirable in the case of flap devices which, like the described flap device, have an elastic sealing ring 20 made of plastic as the valve seat, since otherwise damage to the sealing ring 20 would have to be expected with such sealing rings 20 due to a violent detachment of the flap body 36 from the sealing ring 20. Accordingly, a highly sealed valve is created which is at the same time insensitive to ice formation and thus has a long service life.
  • the housing can be designed with different partitions or differently shaped flap bodies and sealing seats can be used. These also do not have to be made of plastic, but can also be made of a metal that conducts heat as well as possible.
  • the heating element can rest against the metal sealing ring or, alternatively, be encapsulated.
  • the valve body and the housing can also be made of metal or plastic, depending on use.
  • the power supply can be carried out directly via the plug or in series with the power supply of the electric motor.

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Abstract

Es sind Klappenvorrichtungen mit einem Strömungsgehäuse (14) mit einem regelbaren Durchströmungsquerschnitt (18), einem Aktor (12), einem Klappenkörper (36), einer Welle (34), auf der der Klappenkörper (36) befestigt ist und die über den Aktor (12) drehbar ist, und einem separaten, im Strömungsgehäuse (14) befestigten Dichtring (20), der den regelbaren Durchströmungsquerschnitt (18) umgibt und gegen den der Klappenkörper (36) zum Schließen des Durchströmungsquerschnitts (18) anliegt, bekannt. Um bei Frost ein Festfrieren zu vermeiden wird vorgeschlagen, dass der Dichtring (20) eine zumindest teilringförmige Kontaktfläche (50) zu einem Heizelement (48) aufweist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung mit einem Strömungsgehäuse mit einem regelbaren Durchströmungsquerschnitt, einem Aktor, einem Klappenkörper, einer Welle, auf der der Klappenkörper befestigt ist und die über den Aktor drehbar ist, einem separaten, im Strömungsgehäuse befestigten Dichtring, der den regelbaren Durchströmungsquerschnitt umgibt und gegen den der Klappenkörper zum Schließen des Durchströmungsquerschnitts anliegt.
Derartige Klappenvorrichtungen werden insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet, um Luft- oder Abgasströme zu regeln. Es handelt sich dabei insbesondere um besonders dichte Klappen, die sowohl geeignet sind, an Verbrennungsmotoren angebracht zu werden als auch in den Luft- oder Wasserstoffkreisläufen eines Brennstoffzellenantriebs.
Unabhängig von der jeweiligen Anwendung entstehen häufig im Antriebsstrang Kondensate durch die Feuchtigkeit in der Luft, im Abgas oder den in der Brennstoffzelle notwendigen Wasseranteil. Diese Kondensate führen bei niedrigen Temperaturen insbesondere beim Kaltstart eines Fahrzeugs zu Problemen, da sie sich häufig zwischen dem bewegbaren Regelkörper und dem Ventilsitz sammeln und dort gefrieren. Durch gewaltsames Lösen des Regelkörpers vom Ventilsitz durch eine entsprechende Aktuierung des Aktors mit großer Kraft, entstehen jedoch unter Umständen Schäden durch Risse oder Kontraktionen an den Dichtringen, die den Ventilsitz bilden, was insbesondere dann zu befürchten ist, wenn ein elastischer Kunststoffdichtring als Ventilsitz verwendet wird, der häufig für eine ausreichende Dichtigkeit der Klappenvorrichtung notwendig ist. Eine solche Klappenvorrichtung mit einem separaten elastischen Dichtring ist beispielsweise aus der DE 92 17 697 Ul bekannt, jedoch ist diese Klappenvorrichtung hoch empfindlich gegen ein Festfrieren des Klappenkörpers am Dichtring. Entsprechend müssen zur Erzeugung ausreichend großer Losbrechmomente auch starke und groß bauende Aktoren verwendet werden, um eine Funktion der Klappe beim Kaltstart sicherzustellen.
Ein anderer Weg solche groß bauenden Aktoren zu vermeiden, ist für Hubventile beispielsweise aus der DE 198 01 387 Al bekannt. Diese offenbart ein als Hubventil ausgeführtes Abgasrückführventil, in dessen Strömungsgehäuse im Bereich der Ventilsitze PTC-Heizelemente angeordnet sind, die verhindern sollen, dass der Regelkörper des Abgasrückführventils nach dem Kaltstart am Ventilsitz kleben bleibt. Die Heizelemente befinden sich dabei entweder innerhalb der Gehäusewände oder das metallische Heizelement selbst bildet die Ventilsitzfläche.
Während also im erstgenannten Fall kein sicherer Schutz gegen ein Festfrieren des Klappenkörpers gewährleistet wird, ist im zweiten Fall die Dichtwirkung bei Auflage des Ventilkörpers beispielsweise für die Verwendung in einem Brennstoffzellenkreislauf nicht ausreichend und auch die erreichbaren Volumenströme sind beschränkt. So werden keine ausreichenden Durchströmungsquerschnitte mit einem solchen Hubventil zur Verfügung gestellt. Des Weiteren muss bei Schäden im Bereich des Heizelementes das gesamte Gehäuse ausgetauscht werden, wodurch ein unerwünschter zusätzlicher Kostenaufwand entsteht.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung bereit zu stellen, mit welcher eine sehr gute Dichtigkeit beim Verschluss des Durchströmungsquerschnitts, also bei Auflage des Klappenkörpers auf der Sitzfläche, gewährleistet wird und ein ausreichend großer Volumenstrom bei geöffnetem Ventil gewährleistet werden können. Zusätzlich soll ein Schutz vor einem Festfrieren des Klappenkörpers an der Sitzfläche bei einem Kaltstart und Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt sichergestellt werden. Des Weiteren soll ein optionaler Verbau sowie ein Austausch des Heizelementes und möglichst auch des Ventilsitzes realisiert werden können, ohne dass das gesamte Gehäuse der Klappenvorrichtung ausgebaut und ausgetauscht werden muss.
Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung weist ein Strömungsgehäuse mit einem Einlass, einem Auslass und einem durchströmbaren Kanalabschnitt auf. Des Weiteren besteht die Klappenvorrichtung aus einem Aktor, der insbesondere als Elektromotor mit einem daran angeschlossenen Getriebe ausgebildet sein kann. Dieser Aktor betätigt, beispielsweise über das Getriebe, eine Welle, die in den Kanalabschnitt ragt und auf der ein Klappenkörper befestigt ist, so dass bei Betätigung des Aktors dessen Drehbewegung über das Getriebe untersetzt auf diesen Klappenkörper übertragen wird, wodurch dieser zwischen einer Offenstellung, in der er einen regelbaren Durchströmungsquerschnitt im Kanalabschnitt weitestgehend freigibt und einer den Durchströmungsquerschnitt verschließenden Stellung, in der der Klappenkörper auf einem Dichtring aufliegt, der den regelbaren Durchströmungsquerschnitt umgibt, bewegt werden kann. Der Dichtring dient entsprechend als Sitzfläche für den Klappenkörper. Erfindungsgemäß weist dieser Dichtring eine zumindest teilringförmige Kontaktfläche zu einem Heizelement auf, so dass diese eine direkte Heizwirkung auf diesen ausüben kann. So kann bei Verwendung der Klappenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, welches bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt abgestellt wird, ein festgefrorener Klappenkörper vor dem Kaltstart durch Bestromen des Heizelementes gelöst werden. Dabei wirkt das Heizelement direkt auf die Sitzfläche, so dass ein hoher Wirkungsgrad entsteht und das Eis in kurzer Zeit aufgelöst werden kann. Der Dichtring und auch der Klappenkörper können auf diese Weise vor Schäden durch das Anhaften geschützt werden, was insbesondere bei Verwendung elastischer Berührungsflächen zwischen Klappenkörper und Dichtring ohne Verwendung des Heizelementes zu befürchten wäre. Des Weiteren können kleinere Aktoren verwendet werden, da keine Losbrechmomente erzeugt werden müssen. Auf diese Weise sinkt auch der Energieverbrauch des Aktors im Betrieb. Der Dichtring und das Heizelement können auch bei auftretenden Schäden aus dem Strömungsgehäuse entfernt und ersetzt werden.
Vorzugsweise ist das Heizelement ein Heizdraht mit zumindest einer Anschlussleitung, der bei Bestromung durch seinen Widerstand Wärme erzeugt, die direkt an den Dichtring abgegeben wird. Die Verwendung eines Heizdrahtes hat auch den Vorteil, dass dieser leicht montierbar ist und nur wenig zusätzlichen Bauraum benötigt. Im Übrigen reagiert eine solche elektrische Beheizung sehr schnell. Die Anschlussleitung muss zumindest indirekt mit einer Stromquelle verbunden sein.
Vorteilhafterweise umgibt der Heizdraht den Dichtring unmittelbar. Der Dichtring und der Heizdraht können entweder vor dem Einbau in das Strömungsgehäuse aneinander befestigt werden oder der Heizdraht wird separat zunächst in das Strömungsgehäuse eingesetzt. In beiden Fällen ergibt sich ein Aufbau, bei dem eine Demontage aus dem Strömungsgehäuse des Heizdrahtes und des Dichtringes möglich ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dichtring ein elastischer Dichtring aus Kunststoff ist. Dieser Kunststoff kann insbesondere Silikon, Ethylen- Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk, Fluor-Kautschuk (FKM) oder ein hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk sein. Durch einen solchen Dichtring kann auch bei Klappenventilen eine hohe Dichtigkeit bei Auflage des Klappenkörpers auf dem Dichtring erzielt werden, der sich durch seine Elastizität der Form des Klappenkörpers angleicht und so vorhandene Toleranzen und Unebenheiten ausgleicht. Die sonst vorhandene Empfindlichkeit gegen Schäden bei einem Anhaften des Klappenkörpers am Ventilsitz wird durch das Heizelement deutlich reduziert, so dass durch diese Kombination eine sehr lange Haltbarkeit einer solchen dichten Klappenvorrichtung erreicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Heizelement ein Heizdraht, der im Dichtring eingespritzt ist. Somit entfällt zwar eine einzelne Demontage und Ersetzbarkeit, jedoch wird die Montage vereinfacht und der Heizdraht wird durch das umgebende Material des Dichtringes vor Schäden geschützt. Des Weiteren wird auf diese Weise die Heizquelle noch näher zur Auflagefläche verschoben, wodurch die Aufheizgeschwindigkeit und damit die Auflösung vorhandener Eispartikel zusätzlich beschleunigt wird.
Des Weiteren kann der Dichtring vorteilhaftweise als Lippendichtring ausgeführt sein. Ein solcher Lippendichtring führt zu sehr guten Dichtungseigenschaften, so dass die Klappenvorrichtung bei Aufliegen des Klappenkörpers auf dem Dichtring beinahe leckagefrei ist.
In einer hierzu weiterführenden Ausführung kann das Heizelement in einer axialen Ringnut des Dichtrings angeordnet werden. Bei Verwendung eines Lippendichtringes kann der Heizdraht in der Nut zwischen den beiden Schenkeln angeordnet werden. Dies erleichtert die Montage, wobei dennoch eine einzelne Demontage und damit ein einzelner Austausch der Komponenten erfolgen kann. Zusätzlich wird so eine unmittelbare Nähe zur Sitzfläche mit dem Vorteil einer schnelleren Aufheizung hergestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Heizelement mit einem Kunststoff umspritzt ist, wobei zwei Anschlusskontakte aus dem Kunststoff ragen, wobei das umspritzte Heizelement eine Kontaktfläche zum Dichtring aufweist. Entsprechend entsteht eine direkte Wärmeleitung zum Lippendichtring. Dennoch bleibt die Optionalität erhalten, so dass das Ventil mit oder ohne Heizelement aufgebaut werden kann, ohne die Konstruktion oder einzelne Bauteile ändern zu müssen. Die Kontaktierung kann direkt über die beiden aus dem Kunststoff hinausragenden Anschlusskontakte erfolgen, die dann gegen entsprechende Stanzkammfederenden im Gehäuse gedrückt werden können.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Strömungsgehäuse einen Einlassstutzen und einen Auslassstutzen aufweist, wobei entweder der Einlassstutzen oder der Auslassstutzen axial gegen den Dichtring anliegt, wodurch dieser befestigt wird. Entsprechend ist am Strömungsgehäuse ein Absatz vorzusehen, gegen den der Dichtring geschoben wird, um durch folgendes Einschieben des Einlassstutzens oder Auslassstutzens gegen den Dichtring in seiner Lage am Anschlag fixiert wird. So kann eine besonders einfache Austauschbarkeit realisiert werden.
In entsprechender Weise kann auch das Heizelement fixiert werden, indem das Strömungsgehäuse einen Einlassstutzen oder Auslassstutzen aufweist, der axial gegen das Heizelement anliegt, nachdem der Einlassstutzen oder der Auslassstutzen gegen das Heizelement geschoben wurde, welches an einem Absatz oder aber axial am Dichtring anliegen kann.
Um eine automatische Regelung des Heizdrahtes zu verwirklichen, kann in der Anschlussleitung des Heizelementes ein Bimetallelement angeordnet werden, welches eine elektrische Verbindung zum Heizelement bei Unterschreiten einer Grenztemperatur herstellt und bei Überschreiten der Grenztemperatur unterbricht, so dass lediglich bei tatsächlich auftretenden Temperaturen, bei denen ein Gefrieren des Kondensats an der Sitzfläche zu befürchten ist, auch eine Beheizung erfolgt. Ein unnötiger Energieverbrauch wird auf diese Weise vermieden.
In einer hierzu alternativen Ausführung ist in der Anschlussleitung des Heizelementes ein PTC-Element angeordnet, dessen Leitfähigkeit mit sinkender Temperatur steigt, so dass die Bestromung und damit die Heizwirkung mit fallender Temperatur gesteigert wird. So kann ein Auflösen von Vereisungen auch bei extremen Minustemperaturen sichergestellt werden, während bei Temperaturen um den Gefrierpunkt geringer bestromt wird, da das Eis deutlich einfacher aufgelöst werden kann. Sowohl bei der Verwendung des PCT- Elementes als auch beim Bimetallelement können zusätzliche Schalter im Steuergerät zum Beenden der Bestromung vorgesehen werden.
In einer weiteren Alternative oder weiterführenden Ausbildung weist die Klappenvorrichtung einen Positionssensor auf, der eine von der Position des Klappenkörpers abhängige Ausgangsspannung erzeugt, welche bei Aufliegen des Klappenkörpers auf dem Dichtring maximal ist, und der mit einem Gateanschluss eines Mosfets verbunden ist, der in der Anschlussleitung des Heizelementes angeordnet ist. So kann automatisch sichergestellt werden, dass nur dann eine Beheizung des Dichtringes und damit der Sitzfläche erfolgt, wenn der Klappenkörper auch tatsächlich auf dem Dichtring aufliegt beziehungsweise sich in dessen Nähe befindet. Dies kann zusätzlich zur temperaturabhängigen Steuerung erfolgen oder einzeln.
Vorzugsweise liegt der Klappenkörper beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors oder eines Brennstoffzellensystems auf dem Dichtring auf. So wird sichergestellt, dass sich keine größeren Eisbrücken bilden, die eine länger währende Auflösung benötigen. Des Weiteren wird bei Verwendung der Schaltung über den Mosfet sichergestellt, dass eine Bestromung erfolgt. Alternativ kann auch im ausgeschalteten Zustand eine offene Klappe vorgesehen werden, was eine Eisbrückenbildung im ausgeschalteten Zustand reduziert. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen muss jedoch häufig ein Strömen von Kondensat zur Brennstoffzelle im abgeschalteten Zustand verhindert werden.
Um des Weiteren sicher zu stellen, dass kein unnötiger Energieverbrauch erfolgt, nachdem das Eis aufgelöst ist, wird in einer Steuereinheit der Klappenvorrichtung eine maximale Bestromungszeit für das Heizelement hinterlegt. Eine Bestromung nach dem Kaltstart im Betrieb findet entsprechend nicht statt. Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung zeichnet sich entsprechend durch eine lange Lebensdauer bei Erhalt einer hohen Dichtigkeit im geschlossenen Zustand also bei Auflage des Klappenkörpers auf dem Dichtring aus. Dies wird erreicht, indem eine Eisbrückenbildung rechtzeitig aufgelöst wird, wozu jedoch der notwendige Stromverbrauch auf ein Minimum reduziert wird. Das Heizelement und auch der Dichtring sind einfach montierbar und demontierbar.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung in teilweise geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt eine um 90° gedrehte Ansicht der Klappenvorrichtung gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt eine Kopfansicht der Klappenvorrichtung aus den Figuren 2 und 3 mit geöffnetem Getriebedeckel.
Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt A aus Figur 1.
Die in den Figuren dargestellte Klappenvorrichtung besteht aus einem Aktorgehäuse 10, in dem ein Aktor 12 angeordnet ist und einem Strömungsgehäuse 14, welches von einem zu regelnden Gasstrom durchströmbar ist. Ein erstes Gehäuseteil 16 bildet dabei das Aktorgehäuse 10 und einen Abschnitt 17 des Strömungsgehäuses 14 aus, in dem ein regelbarer Durchströmungsquerschnitt 18 ausgebildet ist, der von einem einen Ventilsitz ausbildenden Dichtring 20 umgeben ist. Das erste Gehäuseteil 16 weist eine Aufnahme 22 für einen Elektromotor 24 sowie eine Getriebeaufnahme 26 für ein als Stirnradgetriebe ausgebildetes Getriebe 28 auf. Die Getriebeaufnahme 26 wird durch einen Deckel 30 geschlossen. Parallel zur Drehachse des Elektromotors 24 erstreckt sich durch das erste Gehäuseteil 16 eine Bohrung 32, durch welche eine Welle 34, die das Abtriebsglied des Getriebes 28 bildet, in den Abschnitt 17 des Strömungsgehäuses 14 ragt. Auf dieser Welle 34 ist ein Klappenkörper 36 befestigt, der entsprechend bei Betätigung des Aktors 12 im durch das Strömungsgehäuse 14 ausgebildeten Kanal 38 gedreht wird.
Das Strömungsgehäuse 14 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Einlassstutzen 40 und einen Auslassstutzen 42 auf, die den Kanal 38 beidseits des Abschnitt 17 des Strömungsgehäuses 14 axial verlängern. Bei der Montage des Einlassstutzens 40 wird dieser in den Abschnitt 17 und mit einem axial am Einlassstutzen 40 anliegenden zweiten Dichtring 44 gegen den Dichtring 20 geschoben. Der Dichtring 20 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als elastischer Lippendichtring aus Kunststoff ausgeführt, so dass der Klappenkörper 36 bei Drehung gegen den Dichtring 20 geschoben wird, der geringfügig kompressibel ist, so dass bei Anlage des Klappenkörpers 36 ein dichter Verschluss des Kanals 38 erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist zwischen den Dichtringen 20, 44 ein als Heizdraht ausgebildetes Heizelement 48 angeordnet, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei im Wesentlichen ringförmige Kontaktflächen 50 zum Dichtring 20 aufweist, da das Heizelement 48 zwei Wicklungen aufweist. Alternativ wäre es jedoch auch möglich das Heizelement 48 in einer radial äußeren Ringnut oder in einer Nut zwischen den Schenkeln des Dichtrings 20 anzuordnen oder lediglich von außen unmittelbar gegen den Dichtring 20 anliegen zu lassen. Auch ein Umspritzen des Heizelementes 48 bei der Herstellung des Dichtrings 20 ist möglich.
Vom Heizelement 48 erstreckt sich eine nicht sichtbare elektrische Anschlussleitung zu einem Stecker 54 der Klappenvorrichtung, über den das Heizelement 48 mit Strom versorgt werden kann. In der Anschlussleitung ist ein ebenfalls nicht dargestelltes Bimetallelement oder ein PTC-Element angeordnet. Bei Verwendung des Bimetallelementes schaltet dieses die Stromversorgung ab Unterschreiten einer definierten Grenztemperatur von beispielsweise etwa 5°C zu. Bei höheren Temperaturen wird die Stromversorgung unterbrochen, so dass keine Aufheizung stattfindet. Wird statt des Bimetallelementes ein PTC-Element verwendet, so steigt der Stromfluss und damit die Heizwirkung des Heizelementes 48 mit sinkender Temperatur.
Zusätzlich ist ein Mosfet mit seinem Drainanschluss und seinem Source- Anschluss in der Anschlussleitung angeordnet. Ein Gate-Anschluss des Mosfets ist mit einem Ausgangsanschluss eines Positionssensors 68 oder Schalters verbunden, der mit kleiner werdendem Abstand zwischen dem Klappenkörper 36 und dem Dichtring 20 eine wachsende Ausgangsspannung erzeugt beziehungsweise bei Aufliegen des Klappenkörpers 36 auf dem Dichtring 20 schaltet, wodurch der Mosfet nur dann durchschaltet und somit das Heizelement 48 bestromt wird, wenn der Klappenkörper 36 tatsächlich auf dem Dichtring 20 aufliegt oder zumindest in dessen Nähe ist.
Des Weiteren wird eine maximale Bestromungszeit über einen Zeitschalter in einer Steuereinheit 70 der Klappenvorrichtung festgelegt, um zu vermeiden, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen und geschlossenem Klappenkörper 36 das Heizelement 48 weiter bestromt wird. Selbstverständlich kann dies auch über eine externe Steuereinheit erfolgen.
Wird nun eine Brennstoffzelle oder ein Verbrennungsmotor, in dem die Klappenvorrichtung angeordnet ist, um einen Gasstrom, in dem Kondensate enthalten sind, zu regeln, gestoppt, wird der Klappenkörper 36 in seine Schließstellung gedreht. Bei einem später folgenden Kaltstart kann es bei niedrigen Temperaturen um den Gefrierpunkt vorkommen, dass sich durch die Kondensate im zu regelnden Gasstrom zwischen dem Dichtring 20 und dem Klappenkörper 36 eine Eisschicht bildet, durch welche der Klappenkörper 36 nicht mehr frei drehbar wäre. Durch die vorliegende Erfindung wird automatisch bei entsprechend niedrigen Temperaturen das Heizelement 48 mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass durch dessen elektrischen Widerstand Wärme entsteht, die durch die Kontaktfläche zum Dichtring 20 direkt durch Wärmeleitung auf diesen übertragen wird. Hierdurch wird die Eisschicht aufgelöst und eine Freigängigkeit des Klappenkörpers 36 erzielt. Dies ist vor allem bei Klappenvorrichtungen wünschenswert, die wie die beschriebene Klappenvorrichtung einen elastischen Dichtring 20 aus Kunststoff als Ventilsitz aufweisen, da bei derartigen Dichtringen 20 andernfalls durch ein gewaltsames Lösen des Klappenkörpers 36 vom Dichtring 20 mit Beschädigungen am Dichtring 20 zu rechnen wäre. Entsprechend wird ein hochdichtes Ventil geschaffen, welches gleichzeitig unempfindlich gegen Eisbildung ist und somit eine hohe Lebensdauer aufweist.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. Insbesondere kann das Gehäuse mit unterschiedlichen Teilungen ausgeführt werden oder anders geformte Klappenkörper und Dichtsitze verwendet werden. Diese müssen auch nicht aus Kunststoff sein, sondern können gegebenenfalls auch aus einem möglichst gut Wärme leitenden Metall hergestellt werden. Dabei kann das Heizelement gegen den Metalldichtring anliegen oder alternativ umgossen werden. Auch der Klappenkörper und das Gehäuse können je nach Verwendung aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden. Die Stromversorgung kann direkt über den Stecker oder in Reihe mit der Stromversorgung des Elektromotors ausgeführt werden.

Claims

Pierburg GmbH, 41460 Neuss P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Klappenvorrichtung mit einem Strömungsgehäuse (14) mit einem regelbaren Durchströmungsquerschnitt (18) einem Aktor (12), einem Klappenkörper (36), einer Welle (34), auf der der Klappenkörper (36) befestigt ist und die über den Aktor (12) drehbar ist, einem separaten, im Strömungsgehäuse (14) befestigten Dichtring (20), der den regelbaren Durchströmungsquerschnitt (18) umgibt und gegen den der Klappenkörper (36) zum Schließen des Durchströmungsquerschnitts (18) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (20) eine zumindest teilringförmige Kontaktfläche (50) zu einem Heizelement (48) aufweist.
2. Klappenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (48) ein Heizdraht mit zumindest einer Anschlussleitung ist.
3. Klappenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (48) den Dichtring (20) unmittelbar umgibt.
4. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (20) ein elastischer Dichtring aus Kunststoff ist.
5. Klappenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (48) ein Heizdraht ist, der im Dichtring (20) eingespritzt ist. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (20) ein Lippendichtring ist. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (48) in einer Ringnut des Dichtrings (20) angeordnet ist. Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (48) mit einem Kunststoff umspritzt ist, wobei zwei Anschlusskontakte aus dem Kunststoff ragen, wobei das umspritzte Heizelement (48) eine Kontaktfläche zum Dichtring (20) aufweist. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (14) einen Einlassstutzen (40) oder Auslassstutzen (42) aufweist, der axial gegen den Dichtring (20) anliegt. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (14) einen Einlassstutzen (40) oder Auslassstutzen (42) aufweist, der axial gegen das Heizelement (48) anliegt. Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass 14 in der Anschlussleitung (52) des Heizelementes (48) ein Bimetallelement angeordnet ist, welches eine elektrische Verbindung zum Heizelement (48) bei Unterschreiten einer Grenztemperatur herstellt und bei Überschreiten der Grenztemperatur unterbricht. Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anschlussleitung (52) des Heizelementes (48) ein PTC-Element angeordnet ist, dessen Leitfähigkeit mit sinkender Temperatur steigt. Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenvorrichtung einen Positionssensor (68) aufweist, der eine von der Position des Klappenkörpers (36) abhängige Ausgangsspannung erzeugt, welche bei Aufliegen des Klappenkörpers (36) auf dem Dichtring (20) maximal ist, und der mit einem Gateanschluss eines Mosfets verbunden ist, der in der Anschlussleitung (52) des Heizelementes (48) angeordnet ist. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenkörper (36) beim Kaltstart einer
Verbrennungskraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystems auf dem Dichtring (20) aufliegt. Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Steuereinheit (70) der Klappenvorrichtung eine maximale Bestromungszeit für das Heizelement (48) hinterlegt ist.
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