WO2009130028A1 - Klappenventil - Google Patents

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WO2009130028A1
WO2009130028A1 PCT/EP2009/002969 EP2009002969W WO2009130028A1 WO 2009130028 A1 WO2009130028 A1 WO 2009130028A1 EP 2009002969 W EP2009002969 W EP 2009002969W WO 2009130028 A1 WO2009130028 A1 WO 2009130028A1
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flap valve
housing
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baffle plate
bearing ring
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PCT/EP2009/002969
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Friedrich Wellner
Karl Stockinger
Björn Bihler
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Friedrich Boysen Gmbh & Co. Kg
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    • F01N2240/36—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an exhaust flap

Definitions

  • the present invention relates to flap valves for hot fluid streams, in particular exhaust gas streams in exhaust systems of internal combustion engines, with a circular baffle plate rotatably mounted in a housing on a central axis and an adjusting means for moving the baffle plate between a closed position and an open position.
  • flow switching elements are used, for example for coupling / disconnecting bypass pipe sections.
  • the flap valve which is preferably used for coupling / uncoupling of catalytically active assemblies, must be absolutely gastight, so that a possible temperature-induced damage to the catalytically active assemblies can be reliably prevented.
  • a system of two or more flap valves is used, wherein a gap between each two flaps can be provided with an additional connection for evacuation.
  • the flap valve according to the invention is characterized by a baffle plate with a spherically formed outer circumference, which is rotatably mounted in a housing with a correspondingly designed spherical inner circumference.
  • the spherical shape of the outer periphery of the baffle plate and the matching spherical shape of the housing inner circumference lead to a significantly extended compared to conventional flap valves gap surface between the outer periphery of the baffle plate and the housing inner circumference, which pass through a gap between these surfaces a gas with the flap valve closed must, whereby the flow dynamic resistance increases significantly with a closed flap valve.
  • this spherical design increases the tightness of the closed flap valve in a closed flap valve by the increased flow dynamic resistance.
  • the flap valve according to the invention is intended for installation in a motor vehicle exhaust system, which largely consists of metal due to the exhaust gas temperatures and for reasons of robustness. Therefore, it is preferable to manufacture at least the outer region of the housing of the flap valve according to the invention also made of metal. In one embodiment, therefore, only the spherical inner circumference of the housing is formed by a separate bearing ring made of a ceramic material, while the rest of the housing consists of a metal.
  • a temperature-resistant elastic material preferably a molded part of a metallic wire mesh or non-woven fabric is used, which is preferably arranged in a serving as a leak collector or air distributor circumferential inner recess of the housing between the bearing ring and the housing.
  • the mold member at least partially compensates for this thermomechanical effect, thereby ensuring that the ceramic components remain operably positioned during heating and cooling phases.
  • the expansion and contraction capability of the elastic material due to its The construction of a knitted or non-woven fabric thus provides an elasticity of this fastening, on the one hand ensuring a tight fit of the bearing ring and, on the other hand, preventing excessive pressure forces on the bearing ring and thus the risk of breakage of the bearing ring.
  • a suitable rotatable mounting of the baffle plate is achieved in one embodiment of the flap valve according to the invention by the combination of the baffle plate with a pin and a shaft, wherein the baffle disc is connected to the pin and the shaft cohesively or positively.
  • the baffle plate together with the pin and the shaft can be integrally formed of a ceramic material or consist of separate items.
  • the pin engages in a circular opening in the bearing ring and the shaft engages in a circular opening arranged in the bearing ring.
  • the shaft is also used to rotate the baffle plate relative to the bearing ring and thereby actuate the flapper valve.
  • the already achieved by the spherical configuration of the baffle plate outer circumference and the inner circumference of the bearing ring high tightness of the closed flap valve is further increased in that the bearing ring is provided with radial openings. Through these radial openings, air can be blown into the gap between the baffle plate outer periphery and the inner periphery of the bearing ring. By this blowing, leakage of other gases through the gap between the inner periphery of the bearing ring and the baffle plate outer periphery is prevented.
  • the radial openings may be used to extract leakage gases, which For example, can be done using an exhaust gas recirculation system. In both ways, the tightness of the closed flap valve can be further increased.
  • the radial openings may additionally be connected to one another by a connecting channel, which is formed radially circumferentially in the spherical inner circumference of the bearing ring.
  • a connecting channel improves the effect of blowing in air or sucking off gases when the flapper valve is in the closed position.
  • the valve flap according to the invention can be constructed very space-saving, since no separate channel for forwarding the sucked gases or the injected air is needed.
  • a bearing ring is used in a preferred embodiment, which is constructed of two preferably identical ceramic rings.
  • the assembly of a baffle plate with a spherical outer periphery is also possible when the gap between the baffle plate and the bearing ring is small.
  • a baffle plate which is constructed in one piece together with a pin and a shaft.
  • the flap valve is simple, since the baffle plate provided with the pin and the shaft only has to be placed between two identical ceramic rings and this assembly can then be installed in the metal housing.
  • One embodiment of the flap valve according to the invention uses a baffle plate, which has a width in the range of about 10 mm to about 20 mm, preferably about 15 mm at its spherically shaped outer periphery, and thus achieves a suitable compromise of a tightness of the closed valve and a required installation space ,
  • the width of the spherically shaped outer circumference should not be less than a minimum thickness of about 10 mm in order to ensure sufficient tightness with the flap closed. The larger this width, the closer the flap valve can close.
  • this width should not be too large, since it also affects the installation space required for the flap valve. Therefore, this width should not be greater than about 20 mm, in order to achieve the predetermined objective of the invention of a reduced installation space safely.
  • a width of about 15 mm represents a suitable compromise.
  • an embodiment of the flap valve according to the invention provides a valve housing, which is constructed in two parts, wherein the two housing parts are screwed together by axially extending screws.
  • This housing structure facilitates the installation of the combination of bearing ring and baffle plate, since the bearing ring together with the baffle plate can be inserted with the press formed of wire mesh or nonwoven fabric in a housing part, the second housing part can be placed on it and then both housing parts can be screwed to the axial screws.
  • the tightness of the flap valve according to the invention is further increased in a further embodiment by the use of seals between the bearing ring and each housing part.
  • the seals which are preferably designed as steel bead seals, arranged between the bearing ring and the two housing parts such that a gas diffusion along the joining surfaces is prevented.
  • the two housing parts can be constructed identically in one embodiment. In this way, the cost of warehousing can be reduced.
  • Fig. IA is a schematic front view of a preferred embodiment of the flap valve of the invention in an open position
  • Fig. IB shows a schematic side view of a preferred embodiment of the flapper valve according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the embodiment of the flapper valve of Fig. IA taken along the line A-A of Fig. 1A;
  • FIG. 3A is a schematic sectional view of the embodiment of the flap valve according to the invention of FIG. long line BB of Figure IB in an open position;
  • Fig. 3B is a schematic sectional view of the embodiment of the flapper valve of Fig. 1B taken along the line C-C of Fig. 1B in a closed position;
  • Fig. 4A is a perspective view of a ceramic ring used in one embodiment for constructing a bearing ring.
  • FIG. 4B is a perspective view of a baffle plate of a
  • Embodiment of the valve according to the invention valve shows.
  • the embodiment of the flap valve according to the invention shown in Fig. IA and IB comprises a baffle plate 1 made of a ceramic material, a first housing part 3 and a second housing part 4 of the valve flap housing, both made of metal and each one
  • Flange tube 2 include a retaining clip 5 for attachment of an actuator, not shown, and a shaft 6 for actuating the baffle plate 1 by the external actuator, not shown, such as an electric motor.
  • the housing parts 3 and 4 are formed identically in the embodiment shown in order to keep the manufacturing and maintenance costs low.
  • a connection opening 8 is visible, on which an air supply for blowing in air or for sucking Gases, for example via an exhaust gas recirculation system, may be connected to further increase the tightness of the flapper valve according to the invention.
  • Fig. 2 shows the circular shape of the baffle plate 1 and the shaft 6 and a pin 9, which are materially or positively connected to the baffle plate 1 and rotatably support these.
  • the baffle plate 1 is rotated about a central axis 10, for which purpose a suitable torque is applied to the shaft 6, for example by an electric motor.
  • Two ceramic rings 11, 1 1 ' which form the bearing ring folded in mirror image, are arranged on the inner diameter of the housing parts 3, 4 in a radially encircling inner recess 12 and are held therein by a press molded part 13 made of wire mesh or nonwoven fabric.
  • connection openings 8, 8 ' open into the radially encircling inner recess 12, in order to form with this a channel for blowing in air or for sucking off gases.
  • Two steel bead seals 14, 14 ' are arranged between the ceramic rings 1 1, 11' and the housing parts 3, 4 such that no connection between the volume for receiving the press-molded part 13 and the Flanschrohrinnenraum 15 occurs.
  • the baffle plate 1 is spherically formed on its outer circumference 16 and the bearing ring 17 composed of the ceramic rings 11, 11 'is correspondingly spherically formed on its inner circumference 18, so that the flap valve according to the invention is in the position shown in FIG 3B has a high tightness.
  • stops 19, 19 'can be seen which are connected to the housing Share 3, 4 are formed and serve as a rotation angle limiting the baffle plate 1 during a closing movement of the flap valve according to the invention.
  • a rotation angle limitation is already carried out on the shaft side in the metallic housing, so that the stops 19, 19 'can be completely eliminated in this embodiment. This is advantageous because the stops 19, 19 'represent defects in the pipe flow, which are eliminated in this embodiment.
  • FIG. 4A shows a ceramic ring 11 with a lower bearing opening 20, an upper bearing opening 21 and radial openings 22.
  • the bearing openings 20, 21 and the radial openings 22 are designed as semicircular indentations in such a way that they collapse when mirroring two ceramic rings 11, 11 '. to form a bearing ring 17 substantially circular openings. In alternative embodiments, slots or any other geometries and combinations thereof are also conceivable.
  • the lower bearing opening 20 is intended to receive the pin 9, which is shown attached to the baffle plate 1 in FIGS. 2 and 4B, and the upper bearing opening 21 for receiving the shaft 6 on the baffle plate 1, which is also shown in FIG and Figure 4B.
  • the object of the radial openings 22 is to blow in air or to suck off leak gases via the connection openings 8, 8 'shown in FIGS. 1A and 1B in order to further increase the tightness of the flap valve according to the invention.
  • the number of a total of ten openings 22 shown in FIG. 4A is only one example. Both the number, and the diameter and the arrangement of the openings 22 can be adjusted or omitted as needed to meet special applications.
  • FIG. 4A also shows a spherical inner circumference 23 of the ceramic ring 11 which is in the same spherical shape as shown in FIGS. 3A, 3B and 4B.
  • see outer circumference 16 of the baffle plate 1 cooperates to provide in the closed position of the flap valve according to the invention shown in Fig. 3B for the highest possible tightness of the flap valve according to the invention.
  • FIG. 4A shows that the ceramic ring 11 is provided on the inner circumference 23 with a chamfer 24 at the edge at which the bearing openings 20, 21 and the radial openings 22 are arranged.
  • Each two ceramic rings 11, 11 ' are assembled in mirror image so that their chamfers 24 abut each other and the bearing openings 20, 21 and the radial openings 22 together form circular openings.
  • the chamfers 24 in such an arrangement form an annular connection channel 27 on the inner surface of the bearing ring 17, which connects the bearing openings 20, 21 and the radial openings 22.
  • This connection duct serves to distribute air, which is blown in from the outside through the connection openings 8 and 8 'shown in FIGS. 1A, 1B and 2, or for suction of leakage gases through the connection opening 8 or 8' in the case of a closed flap valve.
  • FIG. 4B shows the baffle plate 1 of the flap valve according to the invention in a perspective view. It is possible to make the shaft 6, the baffle plate 1 and the pin 9 from a single piece of ceramic material. In order to minimize the manufacturing costs and at the same time ensure a high degree of robustness and stability of this structure, alternatively the baffle plate 1, the pin 9 and the shaft 6 can be made separately and made of different materials and connected to one another in a form-fitting manner. The spherical outer periphery 16 of the baffle plate 1, which as described above with the spherical inner circumferences 23 of the ceramic rings 11, 11 'cooperates, can be clearly seen.
  • the baffle plate 1 from a thin central portion 25 which is widened in the region of the outer periphery and spherically shaped to form the spherical outer periphery 16 of the baffle plate 1. Furthermore, the baffle plate 1 of Fig. 4B is provided with a plurality of radially extending reinforcing spokes 26 in order to increase the dimensional stability of the baffle plate 1 in the manufacturing process. Although Fig. 4B shows a total of eight reinforcing spokes 26, which reinforce the thin central portion 25 of the baffle plate 1, neither the number nor the thickness of the reinforcing spokes 26 is limited to the values shown.
  • the number and the thickness of the reinforcing spokes 26 may be selected such that the greatest possible stability of the baffle plate 1 is combined with the lowest possible inertia of the same. If necessary, the reinforcing spokes 26 can also be dispensed with altogether in order to reduce dynamic mass forces as much as possible and to enable rapid switching operations of the baffle plate 1.
  • Bearing ring 18 Inner circumference of the bearing ring

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Abstract

Es ist ein Klappenventil für heiße Fluidströme, insbesondere Abgasströme in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse an einer Mittelachse drehbar gelagerten kreisförmigen Stauscheibe offenbart, bei dem die Stauscheibe an ihrem Außenumfang sphärisch ausgebildet ist und das Gehäuse mit einem entsprechenden sphärischen Innenumfang ausgebildet ist, was zu einer hohen Dichtigkeit des Klappenventils führt.

Description

Klappenventil
Die vorliegende Erfindung betrifft Klappenventile für heiße Fluidströme, insbesondere Abgasströme in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse an einer Mittelachse drehbar gelagerten kreisförmigen Stauscheibe und einem Stellmittel zum Bewegen der Stauscheibe zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung.
Zur Erfüllung gesetzlicher Vorgaben für Emissionen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren werden bei einigen modernen Antriebssystemen zusätzlich zu den konventionellen Elementen eines Abgassystems Strömungsschaltelemente eingesetzt, beispielsweise zur Ein-/Aus- kopplung von Bypass-Rohrstrecken.
Das Klappenventil, das dabei bevorzugt zum Ein /Auskoppeln von kataly- tisch wirksamen Baugruppen verwendet wird, muss absolut gasdicht sein, damit eine mögliche temperaturbedingte Schädigung der katalytisch wirk- samen Baugruppen sicher verhindert werden kann. Im Stand der Technik ist ein System aus zwei oder mehr Klappenventilen eingesetzt, wobei ein Zwischenraum zwischen jeweils zwei Klappen mit einem zusätzlichen An- schluss zur Evakuierung versehen sein kann.
Nachteilig ist der von dieser Mehrklappenlösung beanspruchte hohe
Platzbedarf, der die Einbaumöglichkeiten dieser Lösung einschränkt und insbesondere bei einer gewünschten Anordnung des Klappenventils möglichst weit vorne im Abgassystem, d.h. in der Nähe des Motors, problematisch ist, da gerade dort sehr wenig Platz zur Verfügung steht. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Klappenventil bereitzustellen, das einen im Vergleich zu bekannten Zweiklappensystemen verringerten Einbauraum beansprucht und dennoch möglichst hermetisch schließt.
Diese Aufgabe wird durch ein Klappenventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Klappenventil zeichnet sich durch eine Stauscheibe mit einem sphärisch ausgebildeten Außenumfang aus, die in einem Gehäuse mit einem entsprechend ausgestalteten sphärischen Innenumfang drehbar gelagert ist. Die sphärische Gestalt des Außenumfangs der Stauscheibe und die dazu passende sphärische Gestalt des Gehäuse- innenumfangs führen zu einer im Vergleich zu herkömmlichen Klappenventilen wesentlich verlängerten Spaltfläche zwischen dem Außenumfang der Stauscheibe und dem Gehäuseinnenumfang, welche ein Gas bei geschlossenem Klappenventil durch einen Spalt zwischen diesen Flächen passieren muss, wodurch sich der strömungsdynamische Widerstand bei einem geschlossenen Klappenventil wesentlich erhöht. Anders ausgedrückt erhöht diese sphärische Ausgestaltung bei einem geschlossenen Klappenventil durch den erhöhten strömungsdynamischen Widerstand die Dichtigkeit des geschlossenen Klappenventils.
Um die Dichtigkeit des geschlossenen Klappenventils weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, das Spaltmaß zwischen der Stauscheibe und dem Gehäuse so gering wie möglich zu halten. Unter Berücksichtigung der hohen Arbeitstemperaturbereichsschwankungen wird dies bei einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch erreicht, dass sowohl die Stauscheibe als auch der sphärische Innenumfang des Gehäuses aus einem keramischen Mate- rial gefertigt werden, da dieses auch bei großen Temperaturänderungen nur sehr geringe Ausdehnungsänderungen aufweist und somit sehr geringe Spaltmaße realisiert werden können.
Das erfindungsgemäße Klappenventil ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeugabgassystem vorgesehen, welches aufgrund der Abgastemperaturen und aus Robustheitsgründen größtenteils aus Metall besteht. Daher ist es bevorzugt, zumindest den Außenbereich des Gehäuses des erfindungsgemäßen Klappen ventils auch aus Metall zu fertigen. Bei einer Ausfüh- rungsform wird daher nur der sphärische Innenumfang des Gehäuses durch einen separaten Lagerring aus einem keramischen Material gebildet, während der Rest des Gehäuses aus einem Metall besteht.
Werkstoffe aus Metall weisen ein Temperaturverhalten auf, das sich we- sentlich von dem Temperaturverhalten unterscheidet, das Keramikwerkstoffe zeigen. Insbesondere dehnen sich Metalle bei einer Erwärmung wesentlich stärker aus. Daher stellt die Befestigung des Lagerrings aus einem Keramikwerkstoff an dem Gehäuse aus einem Metall ein Problem dar, welches bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappen- ventils dadurch gelöst wird, dass zur Positionierung der keramischen
Bauteile im metallischen Gehäuse ein temperaturbeständiges elastisches Material, vorzugsweise ein Pressformteil aus einem metallischen Drahtgestrick oder Faservlies verwendet wird, das bevorzugt in einer als Leckagesammler oder Luftverteiler dienenden umlaufenden Innenausnehmung des Gehäuses zwischen dem Lagerring und dem Gehäuse angeordnet ist. Wenn sich das Gehäuse aufgrund einer Erwärmung ausdehnt, kompensiert das Pressformteil diesen thermomechanischen Effekt zumindest teilweise und gewährleistet damit, dass die keramischen Bauteile bei Aufheiz- und Abkühlungsphasen funktionsfähig positioniert bleiben. Die Ausdeh- nungs- und Kontraktionsfähigkeit des elastischen Materials aufgrund sei- nes Aufbaus als Drahtgestrick oder Faservlies stellt somit eine Elastizität dieser Befestigung bereit, durch die einerseits ein fester Sitz des Lagerrings gewährleistet wird und andererseits übermäßige Druckkräfte auf den Lagerring und damit die Gefahr eines Brechens des Lagerrings ver- hindert werden.
Eine geeignete drehbare Lagerung der Stauscheibe ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils durch die Kombination der Stauscheibe mit einem Zapfen und einer Welle gelöst, wobei die Stau- scheibe mit dem Zapfen und der Welle stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden ist. Dabei kann die Stauscheibe samt dem Zapfen und der Welle einstückig aus einem keramischen Material ausgebildet sein oder aus separaten Einzelteilen bestehen. Der Zapfen greift in eine kreisförmige Öffnung im Lagerring und die Welle in eine im Lagerring gegenüber ange- ordnete kreisförmige Öffnung ein. Die Welle wird zudem verwendet, um die Stauscheibe relativ zu dem Lagerring zu drehen und damit das Klappenventil zu betätigen. Diese Anordnung ermöglicht einen einfachen, robusten Aufbau des erfindungsgemäßen Klappenventils und eine einfache Betätigung desselben.
Bei einer Ausführungsform wird die bereits durch die sphärische Ausgestaltung des Stauscheibenaußenumfangs und des Innenumfangs des Lagerrings erreichte hohe Dichtigkeit des geschlossenen Klappenventils dadurch weiter erhöht, dass der Lagerring mit radialen Öffnungen versehen ist. Durch diese radialen Öffnungen kann Luft in den Spalt zwischen dem Stauscheibenaußenumfang und dem Innenumfang des Lagerrings eingeblasen werden. Durch dieses Einblasen wird ein Lecken anderer Gase durch den Spalt zwischen dem Innenumfang des Lagerrings und dem Stauscheibenaußenumfang verhindert. Alternativ können die radialen Öffnungen dazu verwendet werden, um Leckgase abzusaugen, was bei- spielsweise unter Verwendung eines Abgasrückführungssystems erfolgen kann. Auf beide Weisen kann die Dichtigkeit des geschlossenen Klappenventils weiter erhöht werden.
Die radialen Öffnungen können bei einer Ausführungsform zusätzlich durch einen Verbindungskanal miteinander verbunden sein, welcher radial umlaufend in dem sphärischen Innenumfang des Lagerrings ausgebildet ist. Ein derartiger Verbindungskanal verbessert die Wirkung eines Einblasens von Luft oder eines Absaugens von Gasen, wenn sich das Klappenventil in der Schließstellung befindet.
Zur Weiterleitung der abgesaugten Gase oder der eingeblasenen Luft ist bei einer Ausführungsform die Ausnehmung für das zur Befestigung des Lagerrings vorgesehene Pressformteil aus Drahtgestrick oder Faservlies verwendet, indem die radialen Öffnungen von dem sphärischen Innenumfang des Lagerrings zu dem Pressformteil aus Drahtgestrick oder Faservlies führen, das aufgrund seiner Gestrickstruktur gasdurchlässig ist. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Ventilklappe sehr platzsparend aufgebaut werden, da kein separater Kanal zur Weiterleitung der abge- saugten Gase oder der eingeblasenen Luft benötigt wird.
Um die Herstellung, Montage und Wartung des erfindungsgemäßen Klappenventils zu erleichtern, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Lagerring verwendet, der aus zwei bevorzugt identischen Keramikringen aufgebaut ist. Durch ein Zusammensetzen des Lagerrings aus zwei Keramikringen wird die Montage einer Stauscheibe mit einem sphärischen Außenumfang auch dann ermöglicht, wenn der Spalt zwischen der Stauscheibe und dem Lagerring nur gering ist. Das Gleiche trifft auf die Verwendung einer Stauscheibe zu, welche zusammen mit einem Zapfen und einer Welle einstückig aufgebaut ist. Der Zusammenbau des erfindungs- gemäßen Klappenventils gestaltet sich bei dieser Ausführungsform einfach, da die mit dem Zapfen und der Welle versehene Stauscheibe nur zwischen zwei identische Keramikringe gelegt werden muss und diese Baugruppe anschließend in das Metallgehäuse eingebaut werden kann.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils verwendet eine Stauscheibe, die an ihrem sphärisch geformten Außenumfang eine Breite im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 20 mm, vorzugsweise etwa 15 mm aufweist, und erzielt damit einen geeigneten Kompromiss aus einer Dichtigkeit des geschlossenen Ventils und einem benötigten Einbauraum. Die Breite des sphärisch geformten Außenumfangs sollte eine minimale Dicke von etwa 10 mm nicht unterschreiten, um eine ausreichende Dichtigkeit bei geschlossener Klappe zu gewährleisten. Je größer diese Breite ist, umso dichter kann das Klappenventil schließen. Andererseits sollte diese Breite auch nicht zu groß werden, da davon auch der für das Klappenventil benötigte Einbauraum beeinflusst wird. Daher sollte diese Breite nicht größer als etwa 20 mm sein, um das in der Aufgabe der Erfindung vorgegebene Ziel eines verringerten Einbauraums sicher zu erreichen. Eine Breite von etwa 15 mm stellt dabei einen geeigneten Kompromiss dar.
Um die Stauscheibe samt Lagerring gut in ein Gehäuse einbauen zu können, sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils ein Ventilgehäuse vor, das zweiteilig aufgebaut ist, wobei die beiden Gehäuseteile durch axial verlaufende Schrauben miteinander verschraubt sind. Dieser Gehäuseaufbau erleichtert den Einbau der Kombination aus Lagerring und Stauscheibe, da der Lagerring samt der Stauscheibe mit dem Pressformteil aus Drahtgestrick oder Faservlies in ein Gehäuseteil eingelegt werden kann, das zweite Gehäuseteil darauf gelegt werden kann und dann beide Gehäuseteile mit den Axialschrauben verschraubt werden können. Die Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Klappenventils wird bei einer weiteren Ausführungsform durch die Verwendung von Dichtungen zwischen dem Lagerring und jedem Gehäuseteil weiter erhöht. Dabei werden die Dichtungen, die bevorzugt als Stahlsickendichtungen ausgeführt sind, zwischen dem Lagerring und den beiden Gehäuseteilen derart angeordnet, dass eine Gasdiffusion entlang der Fügeflächen verhindert wird.
Zur Verringerung der Herstell- und Wartungskosten können bei einer Ausführungsform die beiden Gehäuseteile identisch aufgebaut sein. Auf diese Weise lassen sich auch die Kosten zur Lagerhaltung verringern.
Das erfindungsgemäße Klappenventil wird nachfolgend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Verwendung der beiliegenden Zeich- nung erläutert, in der
Fig. IA eine schematische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils in einer Offenstellung zeigt;
Fig. IB eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils zeigt;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils von Fig. IA entlang der Linie A-A von Fig. IA zeigt;
Fig. 3A eine schematische Schnittansicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils von Fig. IB ent- lang der Linie B-B von Fig. IB in einer Offenstellung zeigt;
Fig. 3B eine schematische Schnittansicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils von Fig. IB entlang der Linie C-C von Fig. IB in einer Schließstellung zeigt;
Fig. 4A eine perspektivische Darstellung eines Keramikrings zeigt, welcher bei einer Ausführungsform zum Aufbau eines Lagerrings verwendet wird; und
Fig. 4B eine perspektivische Darstellung einer Stauscheibe einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenven- tils zeigt.
Die in Fig. IA und IB gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klappenventils umfasst eine Stauscheibe 1 aus einem keramischen Material, ein erstes Gehäuseteil 3 und ein zweites Gehäuseteil 4 des Ventil- klappengehäuses, welche beide aus Metall bestehen und jeweils ein
Flanschrohr 2 umfassen, eine Halteklammer 5 zur Befestigung eines nicht gezeigten Aktuators, sowie eine Welle 6 zur Betätigung der Stauscheibe 1 durch den nicht gezeigten externen Aktuator, wie z.B. einen Elektromotor. Bei der gezeigten Ausführungsform sind in den Gehäuseteilen 3 und 4 je- weils vier axiale Bohrungen 7 zur Aufnahme von nicht gezeigten Schrauben vorgesehen, mit deren Hilfe die Gehäuse teile 3 und 4 miteinander verschraubt sind. Die Gehäuseteile 3 und 4 sind bei der gezeigten Ausführungsform identisch ausgebildet, um den Herstellungs- und Wartungsaufwand gering zu halten. Ferner ist eine Anschlussöffnung 8 sichtbar, an welcher eine Luftzufuhr zum Einblasen von Luft oder zum Absaugen von Gasen, beispielsweise über ein Abgasrückführungssystem, angeschlossen sein kann, um die Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Klappenventils weiter zu erhöhen. Eine zweite, identische Anschlussöffnung 8' kann beispielsweise verwendet werden, um die Lufteinblasung oder die Gasabsau- gung bei Bedarf zu erhöhen oder an andere Module weiterzuleiten.
Fig. 2 zeigt die kreisförmige Gestalt der Stauscheibe 1 sowie die Welle 6 und einen Zapfen 9, welche mit der Stauscheibe 1 stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind und diese drehbar abstützen. Zum Öffnen oder Schließen des Klappenventils wird die Stauscheibe 1 um eine Mittelachse 10 gedreht, wobei zu diesem Zweck ein geeignetes Drehmoment auf die Welle 6 aufgebracht wird, beispielsweise durch einen Elektromotor. Zwei Keramikringe 11, 1 1', die spiegelbildlich zusammengelegt den Lagerring bilden, sind am Innendurchmesser der Gehäuseteile 3, 4 in einer ra- dial umlaufenden Innenausnehmung 12 angeordnet und werden in dieser durch ein Pressformteil 13 aus Drahtgestrick oder Faservlies festgehalten. Die Anschlussöffnungen 8, 8' münden in die radial umlaufende Innenausnehmung 12, um mit dieser einen Kanal zum Einblasen von Luft oder zum Absaugen von Gasen zu bilden. Zwei Stahlsickendichtungen 14, 14' sind zwischen den Keramikringen 1 1, 11 ' und den Gehäuseteilen 3, 4 derart angeordnet, dass keine Verbindung zwischen dem Volumen zur Aufnahme des Pressformteiles 13 und dem Flanschrohrinnenraum 15 auftritt.
Aus Fig. 3A und 3B ist ersichtlich, dass die Stauscheibe 1 an ihrem Außenumfang 16 sphärisch ausgebildet ist und der aus den Keramikringen 11, 11 ' zusammengesetzte Lagerring 17 an seinem Innenumfang 18 entsprechend sphärisch ausgebildet ist, so dass das erfindungsgemäße Klappenventil in der in Fig. 3B gezeigten Schließstellung eine hohe Dichtigkeit aufweist. Ferner sind Anschläge 19, 19' ersichtlich, die an den Gehäuse- teilen 3, 4 ausgebildet sind und als Drehwinkelbegrenzung der Stauschei- be 1 bei einer Schließbewegung des erfindungsgemäßen Klappenventils dienen. Bei einer bevorzugten, nicht gezeigten alternativen Ausführungsform ist eine Drehwinkelbegrenzung bereits wellenseitig im metallischen Gehäuse ausgeführt, so dass die Anschläge 19, 19' bei dieser Ausführungsform vollständig entfallen können. Dies ist vorteilhaft, weil die Anschläge 19, 19' Störstellen in der Rohrströmung darstellen, die bei dieser Ausführungsform beseitigt sind.
Fig. 4A zeigt einen Keramikring 11 mit einer unteren Lageröffnung 20, einer oberen Lageröffnung 21 und radialen Öffnungen 22. Die Lageröffnungen 20, 21 sowie die radialen Öffnungen 22 sind als halbrunde Einbuchtungen derart ausgeführt, dass diese beim spiegelbildlichen Zusammenlegen zweier Keramikringe 11, 11 ' zu einem Lagerring 17 im Wesentlichen kreisförmige Öffnungen bilden. Bei alternativen Ausführungsformen sind auch Schlitze oder beliebige andere Geometrien und Kombinationen daraus denkbar. Die untere Lageröffnung 20 ist zur Aufnahme des Zapfens 9 bestimmt, der in Fig. 2 und 4B an der Stauscheibe 1 befestigt gezeigt ist, und die obere Lageröffnung 21 zur Aufnahme der Welle 6 an der Stau- scheibe 1 , welche ebenfalls in Fig. 2 und 4B gezeigt ist. Die Aufgabe der radialen Öffnungen 22 besteht darin, über die in Fig. IA und IB gezeigte Anschlussöffnungen 8, 8' Luft einzublasen oder Leckgase abzusaugen, um die Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Klappenventils weiter zu erhöhen. Dabei ist die in Fig. 4A gezeigte Anzahl von insgesamt zehn Öffnungen 22 nur ein Beispiel. Sowohl die Anzahl, als auch der Durchmesser und die Anordnung der Öffnungen 22 kann angepasst werden oder bei Bedarf ganz entfallen, um speziellen Anwendungen zu genügen.
Aus Fig. 4A ist ferner ein sphärischer Innenumfang 23 des Keramikrings 11 ersichtlich, welcher mit dem in Fig. 3A, 3B und 4B gezeigten sphäri- sehen Außenumfang 16 der Stauscheibe 1 zusammenwirkt, um bei der in Fig. 3B gezeigten Schließstellung des erfindungsgemäßen Klappenventils für eine möglichst hohe Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Klappenventils zu sorgen.
Zudem zeigt Fig. 4A, dass der Keramikring 11 an dem Rand, an dem die Lageröffnungen 20, 21 und die radialen Öffnungen 22 angeordnet sind, an dem Innenumfang 23 mit einer Fase 24 versehen ist. Je zwei Keramikringe 11, 11 ' werden spiegelbildlich so zusammengesetzt, dass ihre Fasen 24 aneinander liegen und die Lageröffnungen 20, 21 sowie die radialen Öffnungen 22 zusammen jeweils kreisförmige Öffnungen bilden. Die Fasen 24 bilden bei einer derartigen Anordnung einen ringförmigen Verbindungskanal 27 an der Innenfläche des Lagerrings 17, welcher die Lageröffnungen 20, 21 und die radialen Öffnungen 22 verbindet. Dieser Verbin- dungskanal dient zur Verteilung von Luft, die von außen durch die in Fig. IA, IB und 2 gezeigte Anschlussöffnung 8 bzw. 8' eingeblasen wird oder zum Absaugen von Leckgasen durch die Anschlussöffnung 8 bzw. 8' bei einem geschlossenen Klappenventil.
Fig. 4B zeigt die Stauscheibe 1 des erfindungsgemäßen Klappenventils in einer perspektivischen Darstellung. Es ist möglich, die Welle 6, die Stauscheibe 1 und den Zapfen 9 aus einem einzigen Stück aus keramischem Material herzustellen. Um die Herstellungskosten zu minimieren und gleichzeitig eine große Robustheit und Stabilität dieses Gebildes sicherzu- stellen, können alternativ die Stauscheibe 1, der Zapfen 9 und die Welle 6 separat und aus verschiedenen Materialien hergestellt sein und miteinander formschlüssig verbunden sein. Der sphärische Außenumfang 16 der Stauscheibe 1 , der wie voranstehend beschrieben mit den sphärischen Innenumfängen 23 der Keramikringe 11, 11 ' zusammenwirkt, ist deutlich zu erkennen. Ferner ist zu erkennen, dass die Stauscheibe 1 aus einem dünnen Mittelteil 25 besteht, der im Bereich des Außenumfangs verbreitert und sphärisch geformt ist, um den sphärischen Außenumfang 16 der Stauscheibe 1 auszubilden. Des Weiteren ist die Stauscheibe 1 von Fig. 4B mit mehreren radial verlaufenden Verstärkungsspeichen 26 versehen, um die Formstabilität der Stauscheibe 1 im Herstellungsprozess zu erhöhen. Obwohl Fig. 4B insgesamt acht Verstärkungsspeichen 26 zeigt, mit denen der dünne Mittelteil 25 der Stauscheibe 1 verstärkt ist, ist weder die Anzahl noch die Dicke der Verstärkungs Speichen 26 auf die gezeigten Werte beschränkt. Vielmehr können die Anzahl und die Dicke der Ver- Stärkungsspeichen 26 derart gewählt sein, dass eine möglichst große Stabilität der Stauscheibe 1 mit einer möglichst geringen Massenträgheit derselben kombiniert ist. Die Verstärkungsspeichen 26 können ggf. auch ganz entfallen, um dynamische Massenkräfte möglichst zu reduzieren und schnelle Schaltvorgänge der Stauscheibe 1 zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste
1 Stauscheibe
2 Flanschrohr 3 erstes Gehäuseteil
4 zweites Gehäuseteil
5 Halteklammer
6 Welle
7 Axialbohrungen 8, 8' Anschlussöffnung
9 Zapfen
10 Mittelachse 11 , 11' Keramikring
12 Innenausnehmung 13 Pressformteil aus Drahtgestrick oder Faservlies
14, 14' Stahlsickendichtung
15 Flanschrohrinnenraum
16 Außenumfang der Stauscheibe
17 Lagerring 18 Innenumfang des Lagerrings
19, 19' Anschlag
20 untere Lageröffnung
21 obere Lageröffnung
22 radiale Öffnung 23 Innenumfang des Keramikrings
24 Fase des Keramikrings
25 Mittelteil der Stauscheibe
26 Verstärkungsspeichen
27 Verbindungskanal

Claims

Patentansprüche
1. Klappenventil für heiße Fluidströme, insbesondere Abgasströme in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse (3, 4) an einer Mittelachse (10) drehbar gelagerten kreisförmigen Stauscheibe (1) und einem Stellmittel zum Bewegen der Stauscheibe (1) zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (1) an ihrem Außenumfang (16) sphärisch ausgebildet ist und das Gehäuse (3, 4) mit einem entsprechenden sphärischen Innenumfang (18, 23) ausgebildet ist.
2. Klappenventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (1) und der sphärische Innenumfang (18, 23) des
Gehäuses (3, 4) aus einem keramischen Material bestehen.
3. Klappenventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sphärische Innenumfang (18, 23) des Gehäuses (3, 4) durch einen separaten Lagerring (17) aus einem keramischen Material ausgebildet ist, während der Rest des Gehäuses (3, 4) aus einem Metall ausgebildet ist.
4. Klappenventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (17) mit einem Pressformteil (13) aus Drahtgestrick oder Faservlies im Gehäuse (3, 4) befestigt ist.
5. Klappenventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stau scheibe (1) durch einen Zapfen (9) und eine Welle (6) in dem Gehäuse (3, 4) drehbar gelagert ist, wobei der Zapfen (9) und die Welle (6) mit der Stauscheibe (1) stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind und die Welle (6) zur Drehung der Stauscheibe (1) relativ zu dem Lagerring (17) ausgebildet ist, um das Klappenventil zu betätigen.
6. Klappen ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (17) mit radialen Öffnungen (22) zum Einblasen von Luft oder Absaugen von Gasen versehen ist.
7. Klappenventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (17) an seinem sphärischen Innenumfang (18) einen radial umlaufenden Verbindungskanal (27) aufweist, der die radialen Öffnungen (22) miteinander verbindet.
8. Klappenventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Weiterleitung der eingeblasenen Luft oder der abgesaugten Gase ein Kanal vorgesehen ist, der sich von den radialen Öffnungen (22) über eine Innenausnehmung (12) für das Pressformteil (13) aus Drahtgestrick oder Faservlies zu einer Anschlussöffnung (8, 8") erstreckt.
9. Klappenventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (17) aus zwei insbesondere identischen Keramikringen (11, 11*) aufgebaut ist.
10. Klappenventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (1) an ihrem sphärisch geformten Außenumfang (16) eine Breite im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 20 mm, vorzugsweise etwa 15 mm, aufweist.
11. Klappenventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist und die Gehäuseteile (3, 4) durch eine axiale Verschraubung verbunden sind.
12. Klappenventil nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerring (17) und jedem Gehäuseteil (3, 4) eine Dichtung (21, 21") vorgesehen ist.
13. Klappenventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung zwischen dem Lagerring (17) und jedem Gehäuseteil
(3, 4) eine Stahlsickendichtung (21, 21") ist.
14. Klappenventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (3, 4) zueinander identisch sind.
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