WO2015149990A1 - Abgasklappenvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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shaft
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exhaust
combustion engine
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Hans Gerards
Andreas GRAUTEN
Jürgen Michels
Tim Holler
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Pierburg Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust valve device for an internal combustion engine having a flow housing which defines an exhaust passage, a valve body rotatably disposed in the exhaust passage, a shaft on which the valve body is fixed, an electric actuator having an electric motor and a transmission over which the shaft and the valve body are rotatable in the exhaust passage and an actuator housing in which the actuator is arranged, wherein the shaft protrudes into the actuator housing.
  • Such exhaust flap devices are used either as exhaust gas flaps or exhaust gas recirculation valves in low-pressure or high-pressure exhaust gas circuits of internal combustion engines and serve to control an attributable to the cylinders exhaust gas quantity or to regulate the pressure in the exhaust gas recirculation channel to reduce the pollutant emissions of the engine.
  • the actuator is arranged at a greater distance from the exhaust duct and then actuated by a linkage or at least in that the flap shaft is separated from the output shaft of the actuator and only a coupling of the two shafts is made by poorly conductive coupling elements.
  • a driven gear of the transmission is fixed and the shaft has a thermal conductivity of ⁇ 17W / mK and is arranged in a bearing which has a thermal conductivity of> 17W / mK and in one Bearing support of the flow housing is arranged, wherein the inner circumference of the bearing receptacle corresponds to the outer periphery of the bearing, on the one hand, the heat input is reduced in the actuator housing via the shaft and on the other hand, increased heat dissipation through the bearing and the bearing seat of the flow housing due to the large contact surface between the bearing and the Bearing receiving the flow housing achieved, so that the first bearing acts as a heat sink. Nevertheless, a direct connection of the valve shaft is made to the actuator without having to use intermediate coupling elements.
  • the actuator housing preferably has a thermal conductivity of> 150 W / mK. This ensures that a large amount of heat over the large surface of the actuator housing can be dissipated to the environment.
  • the actuator housing may advantageously be made of an aluminum alloy, with which a sufficient heat conduction is ensured.
  • the shaft is preferably made of an austenitic steel, which on the one hand is inexpensive to produce and on the other hand allows a low heat conduction through the shaft into the actuator housing.
  • the first bearing is a carbon graphite bearing. This has on the one hand very good sliding properties even at high temperatures and on the other hand leads at a thermal conductivity of about 65W / mK to high heat dissipation from the shaft in the direction of the surrounding housing, so that a considerable amount of heat can be dissipated before reaching the actuator housing.
  • the bearing receptacle of the flow housing projects into a receiving opening of the actuator housing and is located radially against the receiving opening radially bounding walls.
  • the bearing support of the flow housing protrude into the receiving opening of the actuator housing, wherein the outer circumference of the bearing housing corresponds to the inner circumference of the receiving opening of the actuator housing, whereby the heat-conducting connection is made from the region of the bearing support of the flow housing for heat-dissipating actuator housing.
  • a second bearing with a thermal conductivity of> 17W / mK is arranged, in which the shaft is mounted, wherein the outer periphery of the second bearing rests on the actuator housing.
  • the heat transmitted via the shaft is conducted on the second second bearing, which likewise acts as a heat sink, in the direction of the actuator housing and thus in the direction of the environment.
  • a sealing ring which surrounds the shaft is arranged axially in the receiving opening on the side of the second bearing facing away from the valve body.
  • a bearing bush is arranged as a thrust bearing with a thermal conductivity of> 17W / mK, which surrounds the shaft, wherein the outer circumference of the bearing bush rests on the actuator housing, which in turn a heat-conducting contact is made to the actuator housing in the receiving opening of the actuator housing causing heat to be dissipated from the shaft and off-shaft exhaust gas to the environment. Furthermore, the bearing bush causes a pre-seal to minimize the gas flow in the direction of the second radial bearing.
  • a designed as a needle bearing with radial sealing rings radial bearing is arranged in the receiving opening, which surrounds the shaft, wherein the bearing bush is arranged axially between the valve body and the needle bearing.
  • the needle bearing leads on the one hand due to the integrated sealing rings to a good shaft seal and on the other hand to a very good radial bearing with high load capacity.
  • outwardly facing cooling fins are formed on the bearing housing, by means of which the heat output to the surroundings is additionally reinforced by the increased area, so that a heat transfer in the direction of the electric motor is markedly reduced.
  • Figure 1 shows a side view of a first embodiment of a flap device according to the invention in a sectional view.
  • the shaft 16 To prevent ingress of exhaust gas into the actuator housing 30 and a simple rotation and positioning of the shaft 16th or the flap body 14 in the exhaust duct 12 to ensure safe, the shaft 16 must be reliably stored and sealed axially and radially. Due to the use of the exhaust valve device in the hot exhaust gas area, the electric motor 22 must additionally be protected against excessive thermal load.
  • a hollow cylindrical bearing receptacle 40 is formed on the flow housing 10, which extends in the direction of an annular projection 42 on the actuator housing 30.
  • An annular projection 44 of reduced diameter adjoins the projection 42 in the actuator interior 34, so that a shoulder 46 is formed between the two oppositely extending projections 42, 44.
  • the walls 45 of the two projections 42, 44 define radially a receiving opening 48 into which protrudes in the region of the outwardly facing projection 42, the bearing receptacle 40 of the flow housing 10, abuts the axial end with the interposition of an axial seal 50 against the shoulder 46.
  • the outer diameter of the bearing receptacle 40 substantially corresponds to the inner diameter of the walls 45 of the projection 42, so that the wall 47 of the bearing receptacle 40 and the walls 45 of the projection 42 radially against each other over the entire surface.
  • This rotary compression spring 62 is arranged radially surrounding the projection 44 in the actuator interior 34 and presses against the fixedly arranged on the shaft 16 driven gear 18, so that with this also the shaft 16 is loaded in this axial direction. Furthermore, the two end limbs of the spring 62 engage in a known manner behind projections, not visible in the figures, on the actuator housing 30 and on the driven gear wheel 18, that the shaft 16 is biased in one direction at least during rotation from the rest position. Accordingly, the shaft 16 is rotated due to the spring force in case of failure of the electric motor 22 in a Notlaufposition.
  • the shaft 16 is surrounded by a sealing ring 64 which abuts axially against the shoulder 56 and seals the receiving opening 48 in the direction of the actuator interior 34.
  • the second bearing 58 also serves as an additional heat sink by virtue of its radially almost complete contact with the shaft 16 and the projection 44 of the actuator housing 30, through which both the heat conducted directly through the shaft 16 and the heat flowing along the shaft 16 Exhaust gas can be removed via the surface of the heat-conducting actuator housing 30.
  • a heat input into the actuator interior 34 is prevented by exhaust gas flowing along the shaft 16 through the sealing ring 64.
  • a heat dissipation plate 68 is arranged on the flow housing 10 between the flow housing 10 and the portion of the actuator housing 30 accommodating the electric motor 22, via which a heat radiation acting on the electric motor 22 through the exhaust gas channel 12 is avoided.
  • the embodiment of Figure 2 differs from the above by a modified version of the storage and sealing.
  • the sealing and storage takes place by a combination of a radial bearing in the form of a needle bearing 70 with integrated sealing rings 72 and a thrust bearing in the form of a bearing bush 74.
  • the needle bearing 70 is located on the actuator interior 34 facing paragraph 56 of the projection 44, serves as a second bearing 58 for supporting the shaft 16 and seals on the integrated sealing rings 72, the receiving opening 48 in the direction of Aktorinnenraums 34, so that only a small amount of heat the exhaust gas can penetrate into the actuator interior 34.
  • the bushing 74 bears against the flow housing 10 facing shoulder 54 in the region of the projection 44 and supports the shaft 16 axially.
  • the bushing 74 protrudes as in the first embodiment, the sliding bearing 58 beyond the shoulder 46 also, so that the thrust washer 60 is loaded by the spring 62 against the bearing bush 74 and rotates on the bearing bush 74, which abuts radially against the wall of the receiving opening 48 and flat thus fulfilling the function as a second heat sink.
  • the sliding bushing has a thermal conductivity which is at least greater than the thermal conductivity of the shaft 16.

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Abstract

Abgasklappenvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Strömungsgehäuse (10), das einen Abgaskanal (12) begrenzt, einem Klappenkörper (14), der drehbar im Abgaskanal (12) angeordnet ist, einer Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) befestigt ist, einem elektrischen Aktor (28), der einen Elektromotor (22) und ein Getriebe (20) aufweist, über welche die Welle (16) und der Klappenkörper (14) im Abgaskanal (12) drehbar sind, einem Aktorgehäuse (30), in dem der Aktor (28) angeordnet ist, wobei die Welle (16) in das Aktorgehäuse (30) ragt, sind bekannt, jedoch nicht für hohe thermische Belastungen geeignet. Um eine Abgasklappenvorrichtung mit einer Klappenwelle, die in den Aktor ragt, im heißen Abgasbereich nutzen zu können wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass auf der Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) angeordnet ist, ein Abtriebszahnrad (18) des Getriebes (20) befestigt ist und die Welle (16) eine Wärmeleitfähigkeit von λ<17W/mK aufweist und in einem Lager (52) angeordnet ist, welches eine Wärmeleitfähigkeit von λ>17W/mK aufweist und in einer Lageraufnahme (40) des Strömungsgehäuses (10)angeordnet ist, wobei der Innenumfang der Lageraufnahme (40) dem Außenumfang des Lagers (52) entspricht.

Description

B E S C H R E I B U N G
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse, das einen Abgaskanal begrenzt, einem Klappenkörper, der drehbar im Abgaskanal angeordnet ist, einer Welle, auf der der Klappenkörper befestigt ist, einem elektrischen Aktor, der einen Elektromotor und ein Getriebe aufweist, über welche die Welle und der Klappenkörper im Abgaskanal drehbar sind und einem Aktorgehäuse, in dem der Aktor angeordnet ist, wobei die Welle in das Aktorgehäuse ragt.
Derartige Abgasklappenvorrichtungen werden entweder als Abgasstauklappen oder Abgasrückführventile in Niederdruck- oder Hochdruckabgaskreisläufen von Verbrennungsmotoren eingesetzt und dienen zur Regelung einer zu den Zylindern zurückzuführenden Abgasmenge oder zur Regelung des Drucks im Abgasrückführkanal zur Verringerung des Schadstoffemissionen des Motors.
Je nach Einbauort sind diese Ventile sowohl bezüglich der anfallenden Schadstoffmenge als auch bezüglich der herrschenden Temperaturen unterschiedlich stark belastet. Insbesondere bei Ventilen, welche im Heißgasbereich angeordnet sind, also im Abgasauslassbereich oder im Hochdruckabgasrückführkanal vor einem eventuell vorhandenem Abgaskühler ist eine so hohe thermische Belastung zu erwarten, dass bei der Verwendung von Elektromotoren als Antrieb der Klappen, dieser vor Überhitzung geschützt werden muss.
Dies erfolgt entweder dadurch, dass der Aktor in größerer Entfernung zum Abgaskanal angeordnet wird und dann über ein Gestänge betätigt wird oder zumindest dadurch, dass die Klappenwelle von der Ausgangswelle des Aktors getrennt wird und lediglich eine Kopplung der beiden Wellen durch schlecht leitende Kupplungselemente hergestellt wird.
Als weitere Maßnahme zum Schutz vor thermischer Überlastung eines Elektromotors eines Aktors ist es aus der DE 10 2011 000 101 AI bekannt, ein Aktorgehäuse aus mindestens zwei Gehäuseteilen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Dabei soll das schlecht die Wärme leitende Gehäuseteil dem Abgaskanal zugewandt sein und das gut die Wärme leitende Gehäuseteil vom Abgaskanal abgewandt angeordnet sein und Rippen aufweisen, über die eine möglichst große Wärmemenge an die Umgebung abgegeben werden kann. Bei dieser Anordnung ist jedoch weiter der Elektromotor in unmittelbarer Nähe zum Abgaskanal angeordnet, so dass bei lang andauernder Verwendung bei hohen Temperaturen weiterhin eine thermische Überlastung des Elektromotors zu befürchten ist.
Des Weiteren ist aus der EP 2 597 294 A2 ein Abgasrückführventil bekannt, welches im Niederdruckabgasrückführbereich, also bei geringeren auftretenden Temperaturen verwendet wird. Bei diesem Ventil ist der Klappenkörper direkt auf der Ausgangswelle des Elektromotors angeordnet. So entsteht ein hoher Wärmeeintrag in den Elektromotor, so dass Schäden durch Überhitzung sehr wahrscheinlich sind.
Entsprechend bestehen bei den bekannten Ausführungen die Nachteile, dass kein ausreichender Schutz vor einer thermischen Überlastung vorhanden ist, wenn der Aktor in der Nähe des Abgaskanals angeordnet ist und die Welle, auf der der Klappenkörper angeordnet ist, in das Aktorgehäuse ragt.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welche trotz einfachen Aufbaus mit einer in das Aktorgehäuse ragender einstückiger Klappenwelle hoch thermisch belastbar ist, so dass eine Überhitzung eines Elektromotors auch in thermisch hoch belasteten Bereichen zuverlässig vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass auf der Welle, auf der der Klappenkörper angeordnet ist, ein Abtriebszahnrad des Getriebes befestigt ist und die Welle eine Wärmeleitfähigkeit von < 17W/mK aufweist und in einem Lager angeordnet ist, welches eine Wärmeleitfähigkeit von > 17W/mK aufweist und in einer Lageraufnahme des Strömungsgehäuses angeordnet ist, wobei der Innenumfang der Lageraufnahme dem Außenumfang des Lagers entspricht, wird einerseits der Wärmeeintrag in das Aktorgehäuse über die Welle reduziert und andererseits eine erhöhte Wärmeabfuhr über das Lager und die Lageraufnahme des Strömungsgehäuses aufgrund der großen Kontaktoberfläche zwischen dem Lager und der Lageraufnahme des Strömungsgehäuses erreicht, so dass das erste Lager als Wärmesenke wirkt. Dennoch wird eine direkte Anbindung der Klappenwelle an den Aktor hergestellt ohne zwischengeschaltete Koppelelemente verwenden zu müssen.
Vorzugsweise weist das Aktorgehäuse eine Wärmeleitfähigkeit von > 150W/mK auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine große Wärmemenge über die große Oberfläche des Aktorgehäuses an die Umgebung abgeführt werden kann.
Das Aktorgehäuse kann vorteilhafterweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein, mit der eine ausreichende Wärmeleitung sichergestellt wird. Des Weiteren wird die Welle vorzugsweise aus einem austenitischen Stahl hergestellt, der einerseits kostengünstig herstellbar ist und andererseits eine geringe Wärmeleitung über die Welle in das Aktorgehäuse zulässt.
In einer bevorzugten Ausführung ist das erste Lager ein Kohlegraphitlager. Dieses weist einerseits sehr gute Gleiteigenschaften auch bei hohen Temperaturen auf und führt andererseits bei einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 65W/mK zu einer hohen Wärmeableitung von der Welle in Richtung des umgebenden Gehäuses, so dass eine beträchtliche Wärmemenge vor Erreichen des Aktorgehäuses abgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ragt die Lageraufnahme des Strömungsgehäuses in eine Aufnahmeöffnung des Aktorgehäuses und liegt radial gegen die Aufnahmeöffnung radial begrenzende Wände an. So kann beispielsweise die Lageraufnahme des Strömungsgehäuses in die Aufnahmeöffnung des Aktorgehäuses ragen, wobei der Außenumfang des Lagergehäuses dem Innenumfang der Aufnahmeöffnung des Aktorgehäuses entspricht, wodurch die wärmeleitende Anbindung von dem Bereich der Lageraufnahme des Strömungsgehäuses zum wärme ableitenden Aktorgehäuse hergestellt wird.
Vorzugsweise ist in der Aufnahmeöffnung des Aktorgehäuses ein zweites Lager mit einer Wärmeleitfähigkeit von > 17W/mK angeordnet, in dem die Welle gelagert ist, wobei der Außenumfang des zweiten Lagers am Aktorgehäuse anliegt. Auf diese Weise wird die über die Welle weitergeleitete Wärme am zweiten ebenfalls als Wärmesenke wirkenden zweiten Lagers in Richtung des Aktorgehäuses und somit in Richtung der Umgebung geleitet. Um zusätzlich zu verhindern, dass zwischen Welle und Lager heißes Abgas in das Innere des Aktorgehäuses geleitet wird, ist in der Aufnahmeöffnung axial an der vom Klappenkörper weg weisenden Seite des zweiten Lagers ein Dichtring angeordnet, der die Welle umgibt.
In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist in der Aufnahmeöffnung des Aktorgehäuses eine Lagerbuchse als Axiallager mit einer Wärmeleitfähigkeit von > 17W/mK angeordnet, welches die Welle umgibt, wobei der Außenumfang der Lagerbuchse am Aktorgehäuse anliegt, wodurch wiederum ein wärmeleitender Kontakt zum Aktorgehäuse hergestellt wird, der dazu führt, dass Wärme aus der Welle und vom an der Welle entlang strömendem Abgas an die Umgebung abgeführt werden kann. Des Weiteren bewirkt die Lagerbuchse eine Vorabdichtung zur Minimierung des Gasflusses in Richtung des zweiten Radiallagers.
Bei einer derartigen Ausführung kann in der Aufnahmeöffnung ein als Nadellager mit Radialdichtringen ausgeführtes Radiallager angeordnet ist, welches die Welle umschließt, wobei die Lagerbuchse axial zwischen dem Klappenkörper und dem Nadellager angeordnet ist. Das Nadellager führt einerseits aufgrund der integrierten Dichtringe zu einer guten Wellenabdichtung und andererseits zu einer sehr guten radialen Lagerung mit hoher Tragkraft.
In einer besonders bevorzugten Ausführung sind am Lagergehäuse nach außen weisende Kühlrippen ausgebildet, durch die die Wärmeabgabe an die Umgebung durch die vergrößerte Fläche zusätzlich verstärkt wird, so dass eine Wärmeübertragung in Richtung des Elektromotors deutlich reduziert wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Elektromotor und dem Strömungsgehäuse ein Wärmeableitblech angeordnet ist. Dies verhindert ein Aufheizen des den Elektromotor umgebenden Gehäuses durch Wärmestrahlung des Strömungsgehäuses.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Welle eine Anlaufscheibe befestigt, welche mittels einer Druckfeder gegen das erste Lager oder die Lagerbuchse belastet ist. Die Anlaufscheibe ist fest auf der Welle befestigt und sorgt mit der Feder für eine axiale Positionsfestlegung der Welle und damit der Klappe im Kanal. Durch den Kontakt zur Lagerbuchse oder dem Gleitlager wird zusätzlich der Wärmekontakt zu diesen Bauteilen erhöht, wodurch wiederum eine erhöhte Wärmeabfuhr sowie eine Vorabdichtung in Richtung des zweiten Lagers erreicht werden.
Es wird somit eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, die im Heißgasbereich eingesetzt werden kann, ohne dass eine Trennung der Aktorwelle von der Klappenwelle erforderlich ist beziehungsweise der Aktor in großer Entfernung zum Strömungsgehäuse angeordnet werden muss. Hierzu wird einerseits der Wärmeeintrag in das Aktorgehäuse möglichst gering gehalten und so die Funktion auch bei kritischen Temperaturen sichergestellt.
Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Abgasklappenvorrichtungen sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung in geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt eine im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel um 90° gedrehte Darstellung einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung. Die erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtungen weisen ein Strömungsgehäuse 10 auf, welches einen Abgaskanal 12 begrenzt. Im Abgaskanal 12 ist ein Klappenkörper 14 angeordnet, über den der Durchströmungsquerschnitt des Abgaskanals 12 geregelt werden kann, indem der Klappenkörper 14 im Abgaskanal 12 gedreht wird.
Hierzu ist der Klappenkörper 14 auf einer Welle 16 befestigt, die durch das Strömungsgehäuse 10 in den Abgaskanal 12 ragt. Am zum Klappenkörper 14 gegenüberliegenden Ende ist auf der Welle 16 ein Abtriebszahnrad 18 befestigt, welches Teil eines als Stirnradgetriebe ausgebildeten Getriebes 20 ist. Dieses Getriebe 20 wird über einen Elektromotor 22 bei entsprechender Bestromung des Elektromotors 22 angetrieben. Hierzu ist auf einer Ausgangswelle 24 des Elektromotors 22 ein Antriebsritzel 26 befestigt, welches als Antriebsglied des Getriebes 20 wirkt, so dass die Drehbewegung des Elektromotors 22 untersetzt über das Getriebe 20 auf die Welle 16 und damit auf den Klappenkörper 14 übertragen wird.
Der Elektromotor 22 und das Getriebe 20 dienen somit als Aktor 28 der Abgasklappenvorrichtung und sind in einem gemeinsamen Aktorgehäuse 30 angeordnet, welches aus einem Hauptgehäuseteil 32, in dem der Elektromotor 22 sowie das Getriebe 20 montiert sind und einem einen Aktorinnenraum 34 verschließenden Deckel 36 besteht, der unter Zwischenlage einer Dichtung 38 am Hauptgehäuseteil 32 befestigt ist. Um den verwendeten Bauraum möglichst gering zu halten und den Elektromotor sowie das Getriebe 20 im Hauptgehäuseteil 32 einfach montieren zu können, ragt der parallel zur Welle 16 angeordnete Elektromotor 22 in Richtung des Strömungsgehäuses 10.
Um ein Eindringen von Abgas in das Aktorgehäuse 30 zu verhindern und eine einfache Drehbarkeit und Positionierung der Welle 16 beziehungsweise des Klappenkörpers 14 im Abgaskanal 12 sicher zu stellen, muss die Welle 16 zuverlässig axial und radial gelagert sowie abgedichtet werden. Aufgrund der Verwendung der Abgasklappenvorrichtung im heißen Abgasbereich muss zusätzlich der Elektromotor 22 vor zu hoher thermischer Belastung geschützt werden.
Hierzu ist am Strömungsgehäuse 10 eine hohlzylinderförmige Lageraufnahme 40 ausgebildet, die sich in Richtung eines ringförmigen Vorsprungs 42 am Aktorgehäuse 30 erstreckt. An den Vorsprung 42 schließt sich in den Aktorinnenraum 34 ragend ein ringförmiger Vorsprung 44 verkleinerten Durchmessers an, so dass zwischen den beiden sich entgegengesetzt erstreckenden Vorsprüngen 42, 44 ein Absatz 46 ausgebildet ist. Die Wände 45 der beiden Vorsprünge 42, 44 begrenzen radial eine Aufnahmeöffnung 48, in die im Bereich des nach außen weisenden Vorsprungs 42 die Lageraufnahme 40 des Strömungsgehäuses 10 ragt, deren axiales Ende unter Zwischenlage einer Axialdichtung 50 gegen den Absatz 46 anliegt. Der Außendurchmesser der Lageraufnahme 40 entspricht im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Wände 45 des Vorsprungs 42, so dass die Wand 47 der Lageraufnahme 40 und die Wände 45 des Vorsprungs 42 radial vollflächig gegeneinander anliegen.
In der Lageraufnahme 40 des Strömungsgehäuses 10 ist für die Welle 16 ein als Gleitlager ausgeführtes erstes Lager 52 angeordnet, welches aus Kohle-Graphit hergestellt ist und axial gegen einen Absatz 46 des den Abgaskanal 12 begrenzenden Strömungsgehäuses 10 anliegt. Die Welle 16 erstreckt sich durch das erste Lager 52 und über den in den Aktorinnenraum 34 ragenden Vorsprung 44 hinaus durch die Aufnahmeöffnung 48. Die Aufnahmeöffnung 48 weist im Bereich des in den Aktorinnenraum 34 weisenden Vorsprungs 44 eine Querschnittsverengung auf, so dass an deren entgegengesetzten Enden jeweils ein Absatz 54, 56 gebildet wird. Bei der in der Figur 1 dargestellten Ausführung der Abgasklappenvorrichtung ist radial innerhalb dieses verengten Querschnitts ein zweites Lager 58 angeordnet, welches als Kohle-Graphit- Gleitlager ausgeführt ist, so dass die Welle zweifach gelagert ist. Das zum Klappenkörper 14 weisende axiale Ende dieses Lagers 58 ragt geringfügig über den Absatz 54 hinaus. Auf diese Weise wird es möglich, dass eine fest auf der Welle 16 angeordnete Anlaufscheibe 60 über eine Dreh- und Druckfeder 62 zur axialen Lagefixierung der Welle 16 gegen das zweite Lager 58 gedrückt wird. Ein Abgasfluss aus dem Abgaskanal 12 in Richtung des zweiten Lagers 58 wird hierdurch deutlich reduziert.
Diese Dreh-Druckfeder 62 ist im Aktorinnenraum 34, den Vorsprung 44 radial umgebend angeordnet und drückt gegen das fest auf der Welle 16 angeordnete Abtriebszahnrad 18, so dass mit diesem auch die Welle 16 in dieser axialen Richtung belastet wird. Des Weiteren greifen die beiden Endschenkel der Feder 62 in bekannter Weise derart hinter in den Figuren nicht erkennbare Vorsprünge am Aktorgehäuse 30 und am Abtriebszahnrad 18, dass die Welle 16 in eine Richtung zumindest bei Drehung aus der Ruhestellung vorgespannt ist. Entsprechend wird die Welle 16 aufgrund der Federkraft bei Ausfall des Elektromotors 22 in eine Notlaufposition gedreht.
Am in den Aktorinnenraum weisenden Ende der Aufnahmeöffnung 48 des Vorsprungs 44 ist die Welle 16 umgebend ein Dichtring 64 angeordnet, der axial gegen den Absatz 56 anliegt und die Aufnahmeöffnung 48 in Richtung des Aktorinnenraums 34 abdichtet.
Um sicher zu stellen, dass eine Überhitzung des Aktors 28 vermieden wird, wird die Welle 16 aus einem austenitischen Stahl hergestellt. Dieser weist eine Wärmeleitfähigkeit λ von etwa 15 W/mK auf. Hierdurch wird die Wärmeleitung vom Abgaskanal über die Welle 16 deutlich reduziert. Die dennoch über die Welle 16 in Richtung des Aktorinnenraums 34 geleitete Wärme wird zunächst am ersten Lager 52 abgeführt, da dieses mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von etwa 65 W/mK eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Welle 16 und somit als erste Wärmesenke dient. Da das Lager 52 auch einen radial vollflächigen Kontakt mit einer großen Kontaktfläche zur Lageraufnahme 40 aufweist, welche ebenfalls eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist, erfolgt eine weitere Wärmeleitung nach außen. Um die mögliche an dieser Position abzuführende Wärmemenge zusätzlich zu erhöhen, sind am Strömungsgehäuse 10 im Bereich der Lageraufnahme 40 nach außen weisende Kühlrippen 66 ausgebildet, durch die die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert wird.
Eine weitere Wärmeabfuhr wird dadurch erreicht, dass die Lageraufnahme 40 vollflächig am Vorsprung 42 anliegt, da dieser ebenso wie das übrige Aktorgehäuse 30 aus Aluminiumdruckguss hergestellt ist, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit λ von etwa 120 bis 150 W/mK, so dass über dieses Gehäuse große Wärmemengen abgeführt werden können.
Entsprechend dient auch das zweite Lager 58 durch seine radial beinahe vollflächige Anlage an der Welle 16 und am Vorsprung 44 des Aktorgehäuses 30 als zusätzliche Wärmesenke, durch welche sowohl die direkt durch die Welle 16 geleitete Wärme als auch die Wärme des an der Welle 16 entlang strömenden Abgases über die Oberfläche des gut wärmeleitenden Aktorgehäuses 30 abgeführt werden kann.
Als weitere Maßnahme wird ein Wärmeeintrag in den Aktorinnenraum 34 durch entlang der Welle 16 strömendes Abgas durch den Dichtring 64 verhindert. Zusätzlich ist am Strömungsgehäuse 10 zwischen dem Strömungsgehäuse 10 und dem den Elektromotor 22 aufnehmenden Abschnitt des Aktorgehäuses 30 ein Wärmeableitblech 68 angeordnet, über welches eine auf den Elektromotor 22 wirkende Wärmestrahlung durch den Abgaskanal 12 vermieden wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 2 unterscheidet sich von dem vorbeschriebenen durch eine geänderte Ausführung der Lagerung und Abdichtung. Anstelle der Verwendung des zweiten Gleitlagers 58 und des Dichtrings 64 erfolgt die Abdichtung und Lagerung durch eine Kombination eines Radiallagers in Form eines Nadellagers 70 mit integrierten Dichtringen 72 sowie einem Axiallager in Form einer Lagerbuchse 74.
Das Nadellager 70 liegt am zum Aktorinnenraum 34 weisenden Absatz 56 des Vorsprungs 44 an, dient als zweites Lager 58 zur Lagerung der Welle 16 und dichtet über die integrierten Dichtringe 72 die Aufnahmeöffnung 48 in Richtung des Aktorinnenraums 34 ab, so dass lediglich eine geringe Wärmemenge durch das Abgas in den Aktorinnenraum 34 eindringen kann.
Die Lagerbuchse 74 liegt gegen den zum Strömungsgehäuse 10 weisenden Absatz 54 im Bereich des Vorsprungs 44 an und lagert die Welle 16 axial. Die Lagerbuchse 74 ragt wie im ersten Ausführungsbeispiel das Gleitlager 58 über den Absatz 46 hinaus, so dass die Anlaufscheibe 60 durch die Feder 62 gegen die Lagerbuchse 74 belastet wird und auf der Lagerbuchse 74 dreht, welche radial gegen die Wand der Aufnahmeöffnung 48 flächig anliegt und somit die Funktion als zweite Wärmesenke erfüllt. Die Gleitbuchse weist hierzu neben dem vollflächigen Kontakt zum gut Wärme leitenden Aktorgehäuse 30 eine Wärmeleitfähigkeit auf, die ebenfalls zumindest größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Welle 16. Entsprechend wird auch hier ein großer Teil der durch die Welle 16 geleiteten Wärme über die axiale und die radiale Anlange an den Wänden der Aufnahmeöffnung nach außen an die Umgebung abgeführt. Es wird somit eine Klappenvorrichtung geschaffen, bei der einerseits eine sehr gute Wärmeableitung nach außen an die Umgebung besteht und andererseits ein Eindringen der Wärme in den Aktorinnenraum entlang der einteiligen Welle so weit reduziert wird, dass die Verwendung einer derartigen Abgasklappenvorrichtung im heißen Abgasbereich ermöglicht wird, indem Wärmesenken und Wärmebrücken erzeugt werden.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere können Form und Aufbau sowie verwendete Materialien für die die Wärmesenken und Wärmebrücken bildenden Bauteile geändert werden, solange die guten Wärmeanbindungen zwischen den Bauteilen erreicht werden und die beanspruchten Wärmeleitfähigkeiten eingehalten werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse (10), das einen Abgaskanal (12) begrenzt, einem Klappenkörper (14), der drehbar im Abgaskanal (12) angeordnet ist,
einer Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) befestigt ist, einem elektrischen Aktor (28), der einen Elektromotor (22) und ein
Getriebe (20) aufweist, über welche die Welle (16) und der
Klappenkörper (14) im Abgaskanal (12) drehbar sind,
einem Aktorgehäuse (30), in dem der Aktor (28) angeordnet ist, wobei die Welle (16) in das Aktorgehäuse (30) ragt,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Welle (16), auf der der Klappenkörper (14) angeordnet ist, ein Abtriebszahnrad (18) des Getriebes (20) befestigt ist und die Welle (16) eine Wärmeleitfähigkeit von < 17W/mK aufweist und in einem Lager (52) angeordnet ist, welches eine Wärmeleitfähigkeit von > 17W/mK aufweist und in einer Lageraufnahme (40) des Strömungsgehäuses (10) angeordnet ist, wobei der Innenumfang der Lageraufnahme (40) dem Außenumfang des Lagers (52) entspricht.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aktorgehäuse (30) eine Wärmeleitfähigkeit von > 150W/mK aufweist.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Aktorgehäuse (30) aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
4. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (16) aus einem austenitischen Stahl hergestellt ist.
5. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lager (52) ein Kohlegraphitlager ist.
6. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lageraufnahme (40) des Strömungsgehäuses (10) in eine Aufnahmeöffnung (48) des Aktorgehäuses (30) ragt und radial gegen die Aufnahmeöffnung (48) radial begrenzende Wände (45) anliegt.
7. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Aufnahmeöffnung (48) des Aktorgehäuses (30) ein zweites Gleitlager (58) mit einer Wärmeleitfähigkeit von > 17W/mK angeordnet ist, in dem die Welle (16) gelagert ist, wobei der Außenumfang des zweiten Lagers (58) am Aktorgehäuse (30) anliegt.
8. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Aufnahmeöffnung (48) axial an der vom Klappenkörper (14) weg weisenden Seite des zweiten Lagers (58) ein Dichtring (64) angeordnet ist, der die Welle (16) umgibt.
9. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Aufnahmeöffnung (48) des Aktorgehäuses (30) eine Lagerbuchse (74) als Axiallager mit einer Wärmeleitfähigkeit von > 17W/mK angeordnet ist, welches die Welle (16) umgibt, wobei der Außenumfang der Lagerbuchse (74) am Aktorgehäuse (30) anliegt.
10. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Aufnahmeöffnung (48) ein als Nadellager (70) mit Radialdichtringen (72) ausgeführtes Radiallager angeordnet ist, welches die Welle (16) umschließt, wobei die Lagerbuchse (74) axial zwischen dem Klappenkörper (14) und dem Nadellager (70) angeordnet ist.
11. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Strömungsgehäuse (10) im Bereich der Lageraufnahme (40) nach außen weisende Kühlrippen (66) ausgebildet sind.
12. Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor (22) und dem Strömungsgehäuse (10) ein Wärmeableitblech (68) angeordnet ist.
Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Welle (16) eine Anlaufscheibe (60) befestigt ist, welche mittels einer Druckfeder (62) gegen das zweite Gleitlager (58) oder die Lagerbuchse (74) belastet ist.
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