WO2019166104A1 - Abgasklappenanordnung für eine verbrennungskraftmaschine eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Abgasklappenanordnung für eine verbrennungskraftmaschine eines kraftfahrzeugs Download PDF

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WO2019166104A1
WO2019166104A1 PCT/EP2018/055201 EP2018055201W WO2019166104A1 WO 2019166104 A1 WO2019166104 A1 WO 2019166104A1 EP 2018055201 W EP2018055201 W EP 2018055201W WO 2019166104 A1 WO2019166104 A1 WO 2019166104A1
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actuator
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motor vehicle
internal combustion
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Hans Gerards
Patrick SUTTY
Dirk VIERKOTTEN
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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    • F01N2470/00—Structure or shape of exhaust gas passages, pipes or tubes
    • F01N2470/30—Tubes with restrictions, i.e. venturi or the like, e.g. for sucking air or measuring mass flow

Definitions

  • Exhaust flap assembly for an internal combustion engine of a motor vehicle
  • the invention relates to an exhaust gas flap assembly for an internal combustion engine of a motor vehicle with a channel housing, which limits a flow-through exhaust duct, an electric actuator with an actuator housing, which is secured to the channel housing at a distance from the channel housing, and in which an electric motor is arranged, by means of which a drive shaft is driven , which projects into the channel housing, and an exhaust flap, which can be actuated via the drive shaft by means of the actuator and by means of which a flow cross-section of the exhaust duct is controllable.
  • Such exhaust flap arrangements serve, for example, as exhaust gas flaps in the underfloor region of a motor vehicle.
  • the electromotive actuators used are usually only used at temperatures of up to 160 ° C, otherwise the coil windings or the control units of the electric motors can be damaged.
  • the required lower temperatures are often not ensured without additional cooling.
  • pneumatic actuators or electrical actuators are used, which are connected to the liquid cooling system of the internal combustion engine. A direct contact of the actuator to the channel housing is therefore often avoided, so that between the channel housing and the actuator housing a distance is formed, so that a larger gap between the housings is formed in order to reduce the direct heat transfer.
  • An exhaust valve device which is connected to the liquid cooling system of the motor vehicle in order to avoid a thermal overload of the actuator is known from DE 10 2012 103 374 B4.
  • the exhaust flap described herein has channels through which coolant flows in both the channel housing and the actuator housing.
  • an exhaust valve device is known in which a heat shield is arranged between the actuator housing and the channel housing, which is not sufficient, however, to sufficiently protect the actuator against thermal overload.
  • the actuator is arranged at a distance from the channel housing.
  • a nozzle is formed downstream of the exhaust valve within the channel housing and on the channel housing an opening is formed, which has a fluidic connection to the narrowest cross section of the nozzle, and which downstream of the actuator housing projecting drive shaft is formed on the channel housing and viewed in the circumferential direction within a projection surface of the actuator housing is arranged on the channel housing, which is formed by projection of the actuator housing in the direction of the drive shaft on the channel housing is sucked from the outside air along the underside of the actuator housing in the exhaust passage, since the nozzle with the opening acts like an ejector.
  • the exhaust gas which acts as a driving medium, exits the nozzle at high speed, resulting in a dynamic pressure drop according to the law of Bernoulli. For this reason, the pressure in the flow is less than the normal pressure.
  • the exhaust gas flow acting as a propulsion jet strikes the air flow, which flows from the outside through the opening and is under normal pressure. Internal friction and turbulence create a shear stress in the boundary layer between the fast exhaust gas flow and the much slower air flow. This voltage causes a pulse transmission, so that the suction medium is accelerated and entrained. The mixture then happens according to the principle of momentum conservation.
  • the opening is viewed in the direction of flow of the exhaust passage within the projection surface of the actuator housing on the channel housing, which is formed by projection of the actuator housing in the direction of the drive shaft on the channel housing, so that the air flow is disposed immediately below the actuator housing downstream of the drive shaft.
  • air is drawn in from the front region of the vehicle and forcibly drawn in between the duct housing and the actuator housing, thereby ensuring sufficient cooling of the actuator.
  • the actuator is secured by spacers on the channel housing and the gap between the actuator housing and the channel housing is penetrated by the drive shaft. In this way it is ensured that the air flow is conveyed along the drive shaft, so that the shaft is actively cooled. This leads to a heating of the actuator is also reduced by a heat conduction from the exhaust duct via the drive shaft in the actuator.
  • an air guide plate is disposed on the channel housing, which faces in the direction of the actuator housing.
  • the actuator is arranged on a side of the exhaust duct opposite to a vehicle underbody and the air baffle extends from the side of the exhaust duct facing the vehicle underbody to the opposite side on which the actuator is arranged, pointing in the direction of the actuator housing.
  • the air guide plate in the direction of the exhaust gas stream, preferably extends from an area upstream of the actuator housing to an upstream end of the actuator housing.
  • the air baffle at the end of the projection surface of the actuator housing viewed in the direction of the exhaust gas stream, ends at the channel housing. In this way, the air flow is passed directly into the space between the channel housing and the actuator housing, whereby the cooling air flow is additionally increased
  • the channel housing has in sections an inner channel wall and an outer channel wall, wherein the nozzle is formed on the inner channel wall and wherein a gap between the two channel walls is formed.
  • the air can flow accordingly.
  • the exhaust duct can be made in the usual way with a constant outer diameter, so that only a corresponding nozzle-shaped insert must be introduced, which simplifies the production.
  • the heat radiation is reduced immediately below the actuator, since in the space, the cooler air is present, which acts as an insulating layer, whereby the outer wall of the exhaust passage is cooler.
  • the opening is preferably formed on the outer channel wall and opens into the space axially immediately upstream of the narrowest cross-section of the nozzle. This leads to a particularly good suction effect.
  • a good suction effect is also achieved if the opening is formed in the region of the narrowest cross section.
  • the space is in particular annular, which means that it surrounds the inner channel wall completely radially at least in a cross section. This creates the lowest flow losses.
  • means for heat conduction are formed on a wall of the actuator housing facing the channel housing. These means for heat conduction are preferably formed by ribs on the channel housing facing surface of the wall of the actuator housing, whereby the heat conduction surface is increased, resulting in improved heat dissipation.
  • the means for heat conduction are formed by a material of the channel housing facing wall of the actuator housing with a thermal conductivity of about 100 W / m * K.
  • this side of the actuator housing made of aluminum or an aluminum alloy or copper can be made. The high thermal conductivity also creates an improved cooling effect on the actuator.
  • an exhaust valve assembly for an internal combustion engine of a motor vehicle with which an electric actuator can drive an exhaust valve directly without interposed rod without overheating by an air flow between the channel housing and the actuator housing is generated by a pumping action of the exhaust stream is used ,
  • cooler air is passed to the actuator. So can be dispensed with the use of a liquid coolant and yet the thermal load can be significantly reduced.
  • Exhaust flap assembly for an internal combustion engine of a motor vehicle is shown schematically in the figure and will be described below.
  • the figure shows an exhaust system in a motor vehicle, which includes an exhaust flap assembly according to the invention.
  • the exhaust gas flap assembly according to the invention is arranged in a motor vehicle 10 near a vehicle underbody 12 in the region of a lower engine compartment 14.
  • a channel housing 16 which forms an exhaust passage 18 in the interior, which leads from an internal combustion engine 19 along the underbody of the vehicle 10 in the direction of travel to the rear.
  • an exhaust valve 20 is disposed on a drive shaft 22 which extends through the channel housing 16 to the outside in a gap 24 between the channel housing 16 and an actuator housing 26 of an electric actuator 28 and in the actuator housing 26 which is spaced by spacers 29 is arranged by the channel housing and secured thereto.
  • the actuator housing 26 is a non-visible gear, which is driven by an electric motor 30, and the output gear is disposed on the drive shaft 22 so that the drive shaft 22 rotates with the exhaust valve 20 upon actuation of the electric motor 30.
  • the channel housing 16 has an inner channel wall 32 and an outer channel wall 34 in the region of the exhaust flap 20. While the outer duct wall 34 extends over the entire length of the exhaust duct 18, the inner duct wall 32 is formed only in the region of the exhaust flap 20 and in the immediately behind arranged region. Viewed in the direction of flow of the exhaust gas, the inner channel wall 32 extends immediately upstream of the exhaust flap and thus below the actuator 28 first of the outer channel wall 34 obliquely inward, so that an annular space 36 between the two channel walls 32, 34 is formed. In the area traversed by the exhaust flap 20, the inner channel wall 32 continues in a straight line so that the inner cross section and the annular space 36 maintain a substantially equal cross section. In the following, the inner channel wall 32 narrows in
  • nozzle 38 Flow direction, so that a nozzle 38 is formed.
  • the narrowest cross section of this nozzle 38 is located immediately behind the downstream end of the actuator housing 26 or immediately downstream of a projection surface 40 of the actuator housing 26 on the channel housing 16 and on a central axis of the exhaust passage 18 in a projection in the direction of the drive shaft 22nd
  • an opening is formed on the outer channel wall 34, which is thus also disposed immediately downstream of the projection surface 40 of the actuator housing 26 on the channel housing and in the flow direction of the exhaust gas behind the drive shaft 22.
  • the opening 42 viewed in the circumferential direction of the channel housing 16, is arranged at the same height as the drive shaft 22 or at least at the same height as the projection surface 40.
  • a first air guide plate 44 is additionally arranged on channel housing 16. This extends in the direction of flow viewed from an actuator housing 26 stroma ufciertigen side of the channel housing 16 to the projection surface 40 of the actuator housing 26 on the channel housing 16 and in the radial direction to the exhaust duct 18 viewed from the vehicle underbody 12 side of the channel housing 16 to the actuator housing 26 directed side of the channel housing 16th
  • a second air baffle 46 may extend parallel to the first air baffle 44 to a directed to the channel housing 16 wall 48 of the actuator housing 26, so that a two-sided limited channel is formed.
  • this second air baffle 46 can be dispensed with.
  • an end wall 47 is formed at the downstream end of the actuator housing 26. This extends to the downstream end of the opening 42 to the first channel wall 34th and has a width substantially equal to the width of the actuator housing 26.
  • the wall 48 has means for heat conduction, which are formed on the one hand by the fact that this wall 48 is made of aluminum, which has a high heat conduction, and on the other hand that 48 ribs 50 are formed on a surface of the wall.
  • the exhaust gas stream flows through the nozzle 38 in the exhaust duct 18, whereby a dynamic pressure drop arises, especially with large exhaust gas flows, which causes the exhaust gas according to the principle of the suction jet pump as a driving medium for the air flow, via the two air baffles 44, 46th along the wall 48 of the actuator housing 26, that is sucked through the gap 24 between the actuator housing 26 and the channel housing 16 and through the opening 42 in the exhaust passage 18.
  • This suction effect is greater with increasing exhaust gas flow and thus with increasing heat input due to the exhaust gas.
  • Due to the arrangement of the air baffles 44, 46 the intake air is significantly colder than the air in the engine compartment 14, since it is sucked by the vehicle underbody 12, which is continuously flowed through by the airstream.
  • the invention is not limited to the embodiment described.
  • a significant heat release is already achieved if only one of the air baffles or even none of the air baffles is used, since already caused by the Saugstrahlpumpen Koch air flow causes heat extraction from the actuator.
  • the baffles may be formed as a tube or otherwise shaped channel leading to the actuator bottom.
  • the opening may be located slightly upstream or downstream of the narrowest nozzle section or, of course, the shape of the air baffles of the exhaust passage or housing walls may be changed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Exhaust Silencers (AREA)

Abstract

Es sind Abgasklappenanordnungen für Verbrennungskraftmaschinen eines Kraftfahrzeugs mit einem Kanalgehäuse, welches einen durchströmbaren Abgaskanal begrenzt, einem elektrischen Aktor mit einem Aktorgehäuse, welches beabstandet zum Kanalgehäuse am Kanalgehäuse befestigt ist, und in dem ein Elektromotor angeordnet ist, mittels dessen eine Antriebswelle antreibbar ist, die in das Kanalgehäuse ragt, und einer Abgasklappe, welche über Antriebswelle mittels des Aktors betätigbar ist und mittels deren ein Durchströmungsquerschnitt des Abgaskanals regelbar ist, bekannt. Um ohne aktive Kühlelemente die thermische Belastung des Aktors der Abgasklappe zu senken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass stromabwärts der Abgasklappe (20) innerhalb des Kanalgehäuses (16) eine Düse (38) ausgebildet ist und am Kanalgehäuse (16) eine Öffnung (42) ausgebildet ist, die eine fluidische Verbindung zum engsten Querschnitt der Düse (38) aufweist, und die stromabwärts der in das Aktorgehäuse (26) ragenden Antriebswelle (22) am Kanalgehäuse (16) ausgebildet ist und in Umfangsrichtung betrachtet innerhalb einer Projektionsfläche (40) des Aktorgehäuses (26) auf das Kanalgehäuse (16) angeordnet ist, welche durch Projektion des Aktorgehäuses (26) in Richtung der Antriebswelle (22) auf das Kanalgehäuse (16) entsteht.

Description

B E S C H R E I B U N G
Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Kanalgehäuse, welches einen durchströmbaren Abgaskanal begrenzt, einem elektrischen Aktor mit einem Aktorgehäuse, welches beabstandet zum Kanalgehäuse am Kanalgehäuse befestigt ist, und in dem ein Elektromotor angeordnet ist, mittels dessen eine Antriebswelle antreibbar ist, die in das Kanalgehäuse ragt, und einer Abgasklappe, welche über Antriebswelle mittels des Aktors betätigbar ist und mittels deren ein Durchströmungsquerschnitt des Abgaskanals regelbar ist.
Derartige Abgasklappenanordnungen dienen beispielsweise als Abgasstauklappen im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs. Die verwendeten elektromotorischen Aktoren sind üblicherweise lediglich bei Temperaturen von bis zu 160°C einsetzbar, da andernfalls die Spulenwicklungen oder die Steuereinheiten der Elektromotoren beschädigt werden können. Da sich die Wärme des Abgasstrangs unter der Karosserie des Kraftfahrzeugs jedoch stauen kann und der Aktor zusätzlich durch Strahlungswärme vom Abgasstrang oder Konvektion über die Antriebswelle in den Aktor belastet wird, sind die benötigten geringeren Temperaturen häufig ohne zusätzliche Kühlung nicht sicherzustellen. In diesem Fall werden häufig entweder pneumatische Aktoren oder elektrische Aktoren verwendet, die an das Flüssigkeitskühlsystem der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sind. Ein direkter Kontakt des Aktors zum Kanalgehäuse wird daher häufig vermieden, so dass zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse ein Abstand ausgebildet ist, so dass ein größerer Spalt zwischen den Gehäusen ausgebildet ist, um den direkten Wärmeübergang zu reduzieren.
Eine Abgasklappenvorrichtung, die an das Flüssigkeitskühlsystem des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, um eine thermische Überlastung des Aktors zu vermeiden, ist aus der DE 10 2012 103 374 B4 bekannt. Die hierin beschriebene Abgasklappe weist sowohl im Kanalgehäuse als auch im Aktorgehäuse ausgebildete Kühlmittel durchströmte Kanäle auf. Des Weiteren ist aus der WO 2015/149990 Al eine Abgasklappenvorrichtung bekannt, bei der zwischen dem Aktorgehäuse und dem Kanalgehäuse ein Wärmeabschirmblech angeordnet ist, welches jedoch nicht ausreichend ist, um den Aktor ausreichend vor einer thermischen Überlastung zu schützen. Der Aktor ist beabstandet zum Kanalgehäuse angeordnet.
Bei den pneumatischen Aktoren ergibt sich das Problem, dass diese häufig nicht ausreichend genau geregelt werden sowie eine Unterdruckquelle zur Verfügung stehen muss und zusätzliche pneumatische Leitungen montiert werden müssen, während bei den elektrischen Aktoren der Aufbau und die Montage durch den notwendigen Anschluss an das Kühlsystem deutlich erschwert wird, so dass zusätzliche Kosten auch in der Herstellung entstehen. In beiden Ausführungen sind somit Leitungen erforderlich, welche undicht werden können, wodurch die Funktion des gesamten Kraftfahrzeugs eingeschränkt werden kann.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem direkten Antrieb ohne zwischenliegende Gestänge zur Bewegungsübertragung zur Verfügung zu stellen, durch welche eine ausreichende Kühlung des Aktors zur Vermeidung einer thermischen Überlastung des Aktors sichergestellt wird, ohne dass zusätzliche pneumatische oder Flüssigkeitsleitungen notwendig sind, so dass die Abgasklappe bei entsprechendem Spannungsanschluss autark arbeiten kann. Des Weiteren soll die Montage und der Aufbau der Abgasklappenanordnung vereinfacht und somit Kosten reduziert werden. Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass stromabwärts der Abgasklappe innerhalb des Kanalgehäuses eine Düse ausgebildet ist und am Kanalgehäuse eine Öffnung ausgebildet ist, die eine fluidische Verbindung zum engsten Querschnitt der Düse aufweist, und die stromabwärts der in das Aktorgehäuse ragenden Antriebswelle am Kanalgehäuse ausgebildet ist und in Umfangsrichtung betrachtet innerhalb einer Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse angeordnet ist, welche durch Projektion des Aktorgehäuses in Richtung der Antriebswelle auf das Kanalgehäuse entsteht, wird aus dem Außenbereich Luft entlang der Unterseite des Aktorgehäuses in den Abgaskanal gesaugt, da die Düse mit der Öffnung wie eine Saugstrahlpumpe wirkt. Durch die Verringerung des Querschnitts in der Düse, der für den Abgasstrom zur Verfügung steht, tritt das Abgas, welches als Treibmedium wirkt, mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse aus, wodurch gemäß dem Gesetz von Bernoulli ein dynamischer Druckabfall entsteht. Aus diesem Grund ist der Druck in der Strömung geringer als der Normaldruck. Unmittelbar hinter der Düse trifft der als Treibstrahl wirkende Abgasstrom auf den Luftstrom, der von außen durch die Öffnung strömt und unter Normaldruck steht. Durch innere Reibung und Turbulenzen entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Abgasstrom und dem wesentlich langsameren Luftstrom. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, so dass das Saugmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht dann nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Da die Öffnung unterhalb des Aktorgehäuses oder unmittelbar hinter dem Aktorgehäuse aber in Umfangsrichtung betrachtet in Höhe des Aktorgehäuses angeordnet ist, entsteht der Luftstrom zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse und zwar entlang der Antriebswelle der Abgasklappe, wodurch sowohl die Welle als auch das Aktorgehäuse aufgrund des kühleren Luftstroms aktiv gekühlt wird. Eine Wärmestrahlung vom heißen Abgaskanal zum Aktorgehäuse wird so deutlich reduziert, so dass eine thermische Überlastung zuverlässig vermieden wird.
Vorzugsweise ist die Öffnung in Durchströmungsrichtung des Abgaskanals betrachtet innerhalb der Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse angeordnet, welche durch Projektion des Aktorgehäuses in Richtung der Antriebswelle auf das Kanalgehäuse entsteht, so dass der Luftstrom unmittelbar unterhalb des Aktorgehäuses stromabwärts der Antriebswelle angeordnet ist. Bei Betrieb des Kraftfahrzeugs wird so aus dem vorderen Bereich des Fahrzeugs Luft angesaugt und zwangsweise zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse angesaugt, wodurch eine ausreichende Kühlung des Aktors sichergestellt wird.
In einer weiterführenden vorteilhaften Ausführung ist der Aktor über Abstandhalter am Kanalgehäuse befestigt und der Zwischenraum zwischen dem Aktorgehäuse und dem Kanalgehäuse ist von der Antriebswelle durchdrungen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Luftstrom entlang der Antriebswelle gefördert wird, so dass die Welle aktiv gekühlt wird. Dies führt dazu, dass eine Erwärmung des Aktors durch eine Wärmeleitung vom Abgaskanal über die Antriebswelle in den Aktor ebenfalls reduziert wird.
Eine besonders gute Kühlwirkung wird erzielt, wenn in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet stromaufwärts des Aktors ein Luftleitblech am Kanalgehäuse angeordnet ist, welches in Richtung des Aktorgehäuses weist. Auf diese Weise wird ein noch größerer Luftstrom in Richtung des Aktors geleitet, wodurch die Kühlwirkung durch den Luftstrom zusätzlich verbessert wird. Des Weiteren kann hierdurch gezielt kältere Luft in Richtung des Aktors geleitet werden. In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausbildung ist der Aktor an einer zu einem Fahrzeugunterboden entgegengesetzten Seite des Abgaskanals angeordnet und das Luftleitblech erstreckt sich von der zum Fahrzeugunterboden weisenden Seite des Abgaskanals zur gegenüberliegenden Seite, auf der der Aktor angeordnet ist, in Richtung des Aktorgehäuses weisend. Während sich im Kraftfahrzeug im Motorbereich unter der Motorhaube Luft staut und aufheizt, besteht im Unterbodenbereich ein stetiger kühlerer Luftstrom, der durch diese Anordnung des Leitblechs in Richtung des Aktors geleitet wird, wodurch die Kühlwirkung durch den Luftstrom entlang des Aktorgehäuses noch einmal erhöht wird.
Vorzugsweise erstreckt sich das Luftleitblech in einer weiterführenden Ausführungsform in Richtung des Abgasstroms betrachtet von einem Bereich stromaufwärts des Aktorgehäuses bis an ein stromaufwärtiges Ende des Aktorgehäuses. So kann der am Unterboden entstehende Fahrtwind bei Bewegung des Kraftfahrzeugs direkt genutzt und unmittelbar zum Aktorgehäuse geleitet werden.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Luftleitblech am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stroma ufwärtigen Ende der Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse endet. Auf diese Weise wird der Luftstrom direkt in den Zwischenraum zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse geleitet, wodurch der kühlende Luftstrom zusätzlich erhöht wird
Eine noch größere Kühlwirkung durch Erhöhung des Luftstroms im Zwischenraum zwischen dem Aktorgehäuse und dem Kanalgehäuse wird erreicht, wenn das erste Luftleitblech am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stroma ufwärtigen Ende des Aktorgehäuses endet, ein zweites Luftleitblech am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stromaufwärtigen Ende der Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse endet.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn sich vom stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses zum Kanalgehäuse eine Abschlusswand erstreckt, die stromabwärtig zur Öffnung am Kanalgehäuse mündet. So kann ein Ansaugen von Falschluft aus dem stromabwärtigen Bereich verhindert werden und sichergestellt werden, dass der angesaugte Luftstrom an der Unterseite des Aktors entlang strömt
Vorzugsweise weist das Kanalgehäuse abschnittsweise eine innere Kanalwand und eine äußere Kanalwand auf, wobei die Düse an der inneren Kanalwand ausgebildet ist und wobei ein Zwischenraum zwischen den beiden Kanalwänden entsteht. In diesen Zwischenraum kann entsprechend die Luft einströmen. Der Abgaskanal kann so in üblicher Weise mit konstantem Außendurchmesser hergestellt werden, so dass lediglich ein entsprechend düsenförmiger Einsatz eingebracht werden muss, was die Herstellung vereinfacht. Zusätzlich wird die Wärmestrahlung unmittelbar unterhalb des Aktors verringert, da im Zwischenraum die kühlere Luft vorhanden ist, die als Isolationsschicht wirkt, wodurch die Außenwand des Abgaskanals kühler ist.
Die Öffnung ist vorzugsweise an der äußeren Kanalwand ausgebildet und mündet axial unmittelbar stromaufwärts des engsten Querschnitts der Düse in den Raum. Dies führt zu einer besonders guten Saugwirkung.
Eine gute Saugwirkung wird auch erzielt, wenn die Öffnung im Bereich des engsten Querschnitts ausgebildet ist. Der Raum ist insbesondere ringförmig, was bedeutet, dass er die innere Kanalwand zumindest in einem Querschnitt vollständig radial umgibt. So entstehen die geringsten Strömungsverluste. Um eine noch größere Wärmemenge mittels des Luftstroms aus dem Aktor abführen zu können, sind an einer zum Kanalgehäuse weisenden Wand des Aktorgehäuses Mittel zur Wärmeleitung ausgebildet. Diese Mittel zur Wärmeleitung sind vorzugsweise durch Rippen auf der zum Kanalgehäuse weisenden Oberfläche der Wand des Aktorgehäuses gebildet, wodurch die Wärmeleitfläche vergrößert wird, was zu einer verbesserten Wärmeabfuhr führt. Alternativ oder zusätzlich sind die Mittel zur Wärmeleitung durch ein Material der zum Kanalgehäuse weisenden Wand des Aktorgehäuses mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 100 W/m*K gebildet. So kann beispielsweise diese Seite des Aktorgehäuses aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus Kupfer hergestellt werden. Auch durch die hohe Wärmeleitfähigkeit entsteht eine verbesserte Kühlwirkung am Aktor.
Es wird somit eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs geschaffen, mit der ein elektrischer Aktor eine Abgasklappe direkt ohne zwischengelagerte Gestänge antreiben kann, ohne dabei zu überhitzen, indem ein Luftstrom zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse erzeugt wird, indem eine Pumpwirkung des Abgasstroms genutzt wird. Hierzu wird insbesondere kühlere Luft zum Aktor geleitet. So kann auf die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels verzichtet werden und dennoch die thermische Belastung deutlich reduziert werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ist in der Figur schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Figur zeigt einen Abgasstrang in einem Kraftfahrzeug, welcher eine erfindungsgemäße Abgasklappenanordnung beinhaltet. Die erfindungsgemäße Abgasklappenanordnung ist in einem Kraftfahrzeug 10 nahe eines Fahrzeugunterbodens 12 im Bereich eines unteren Motorraums 14 angeordnet.
Hier befindet sich ein Kanalgehäuse 16, welches einen Abgaskanal 18 im Innern ausbildet, der von einer Verbrennungskraftmaschine 19 entlang des Unterbodens des Fahrzeugs 10 in Fahrtrichtung nach hinten führt. In diesem Abgaskanal 18 ist eine Abgasklappe 20 auf einer Antriebswelle 22 angeordnet, welche sich durch das Kanalgehäuse 16 nach außen in einen Zwischenraum 24 zwischen dem Kanalgehäuse 16 und einem Aktorgehäuse 26 eines elektrischen Aktors 28 und in das Aktorgehäuse 26 erstreckt, welches über Abstandshalter 29 beabstandet vom Kanalgehäuse und an diesem befestigt angeordnet ist. Im Aktorgehäuse 26 befindet sich ein nicht sichtbares Getriebe, welches mittels eines Elektromotors 30 angetrieben wird, und dessen Ausgangszahnrad auf der Antriebswelle 22 angeordnet ist, so dass sich die Antriebswelle 22 mit der Abgasklappe 20 bei Betätigung des Elektromotors 30 dreht. Das Kanalgehäuse 16 weist im Bereich der Abgasklappe 20 eine innere Kanalwand 32 und eine äußere Kanalwand 34 auf. Während sich die äußere Kanalwand 34 über die gesamte Länge des Abgaskanals 18 erstreckt, ist die innere Kanalwand 32 lediglich im Bereich der Abgasklappe 20 sowie im unmittelbar dahinter angeordneten Bereich ausgebildet. In Strömungsrichtung des Abgases betrachtet erstreckt sich die innere Kanalwand 32 unmittelbar stromaufwärts der Abgasklappe und damit unterhalb des Aktors 28 zunächst von der äußeren Kanalwand 34 schräg nach innen, so dass ein ringförmiger Raum 36 zwischen den beiden Kanalwänden 32, 34 ausgebildet wird. Im Bereich, der von der Abgasklappe 20 durchfahren wird, setzt sich die innere Kanalwand 32 geradlinig fort, so dass der innere Querschnitt und der ringförmige Raum 36 einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt beibehalten. Im Folgenden verengt sich die innere Kanalwand 32 in
Strömungsrichtung, so dass eine Düse 38 ausgebildet wird. Der engste Querschnitt dieser Düse 38 befindet sich unmittelbar hinter dem stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses 26 beziehungsweise unmittelbar stromabwärtig einer Projektionsfläche 40 des Aktorgehäuses 26 auf das Kanalgehäuse 16 beziehungsweise auf eine Mittelachse des Abgaskanals 18 bei einer Projektion in Richtung der Antriebswelle 22.
In axialer Richtung betrachtet in gleicher Höhe wie dieser engste Querschnitt der Düse 38 ist an der äußeren Kanalwand 34 eine Öffnung ausgebildet, die somit ebenfalls unmittelbar stromabwärts der Projektionsfläche 40 des Aktorgehäuses 26 auf das Kanalgehäuse und in Strömungsrichtung des Abgas hinter der Antriebswelle 22 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Öffnung 42 in Umfangsrichtung des Kanalgehäuses 16 betrachtet auf gleicher Höhe angeordnet ist, wie die Antriebswelle 22 oder zumindest in gleicher Höhe wie die Projektionsfläche 40.
Am Kanalgehäuse 16 ist zusätzlich ein erstes Luftleitblech 44 angeordnet. Dieses erstreckt sich in Strömungsrichtung betrachtet von einer zum Aktorgehäuse 26 stroma ufwärtigen Seite des Kanalgehäuses 16 bis zur Projektionsfläche 40 des Aktorgehäuses 26 auf das Kanalgehäuse 16 und in radialer Richtung zum Abgaskanal 18 betrachtet von einer zum Fahrzeugunterboden 12 gerichteten Seite des Kanalgehäuses 16 bis zur zum Aktorgehäuse 26 gerichteten Seite des Kanalgehäuses 16.
Ein zweites Luftleitblech 46 kann sich parallel zum ersten Luftleitblech 44 bis zu einer zum Kanalgehäuse 16 gerichteten Wand 48 des Aktorgehäuses 26 erstrecken, so dass ein zweiseitig begrenzter Kanal gebildet wird. Gegebenenfalls kann auf dieses zweite Luftleitblech 46 verzichtet werden. Zusätzlich ist am stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses 26 eine Abschlusswand 47 ausgebildet. Diese erstreckt sich zum stromabwärtigen Ende der Öffnung 42 an die erste Kanalwand 34 und weist eine Breite auf, die im Wesentlichen der Breite des Aktorgehäuses 26 entspricht.
Die Wand 48 weist Mittel zur Wärmeleitung auf, welche einerseits dadurch gebildet werden, dass diese Wand 48 aus Aluminium hergestellt ist, welches eine hohe Wärmeleitung aufweist, und andererseits, dass an einer Oberfläche der Wand 48 Rippen 50 ausgebildet sind.
Befindet sich das Fahrzeug 10 im Betrieb entsteht Wärme durch die Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 19, so dass heißes Abgas durch den Abgaskanal 18 strömt und der Motorraum 14 deutlich erwärmt wird. Dies hat üblicherweise zur Folge, dass Wärme durch Wärmestrahlung des Abgaskanals 18 und Wärmeleitung über die Antriebswelle 22 in das Aktorgehäuse gelangt und dort zu einer thermischen Überlastung des Elektromotors 30 oder einer angeschlossenen Steuereinheit führen kann.
Erfindungsgemäß strömt jedoch der Abgasstrom durch die Düse 38 im Abgaskanal 18, wodurch insbesondere bei großen Abgasströmen ein dynamischer Druckabfall entsteht, der dazu führt, dass das Abgas nach dem Prinzip der Saugstrahlpumpe als Treibmedium für den Luftstrom wirkt, der über die beiden Luftleitbleche 44, 46 entlang der Wand 48 des Aktorgehäuses 26, also durch den Zwischenraum 24 zwischen Aktorgehäuse 26 und Kanalgehäuse 16 und durch die Öffnung 42 in den Abgaskanal 18 gesaugt wird. Diese Saugwirkung wird mit steigendem Abgasstrom und damit mit steigendem Wärmeeintrag aufgrund des Abgases größer. Durch die Anordnung der Luftleitbleche 44, 46 ist die angesaugte Luft deutlich kälter als die Luft im Motorraum 14, da sie vom Fahrzeugunterboden 12, der stetig durch den Fahrtwind durchströmt wird, angesaugt wird. Dies hat zur Folge, dass die thermische Belastung der Wand 48, die sonst der höchsten thermischen Belastung aufgrund der Nähe zum Abgaskanal 18 ausgesetzt wäre, durch diese kühle Luft aktiv gekühlt wird. Des Weiteren strömt diese Luft entlang des Abschnitts der Antriebswelle 22, welcher zwischen dem Aktorgehäuse 26 und dem Kanalgehäuse 16 angeordnet ist, so dass auch der Antriebswelle 22 Wärme entzogen wird. Zusätzlich wird diese Luft auch in den ringförmigen Raum 36 gesaugt, welche sich als Isolationsschicht zum Aktorgehäuse 26 zwischen den beiden Kanalwänden 32, 34 bildet. Die Rippen 50 sowie die Ausbildung der Wand 48 aus Aluminium erhöhen den Wärmeübergang zum Luftstrom zusätzlich, so dass dem Aktorgehäuse 26 zusätzliche Wärme entzogen wird. Aus alledem folgt, dass die thermische Belastung des elektrischen Aktors 28 durch die erfindungsgemäße Abgasklappenanordnung deutlich sinkt, so dass die Lebensdauer des Aktors beziehungsweise des Elektromotors und der Steuerung erhöht wird. Hierzu sind keine zusätzlichen Kühlleitungen erforderlich.
Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So wird bereits eine deutliche Wärmeentlastung erzielt, wenn lediglich eines der Luftleitbleche oder sogar keines der Luftleitbleche verwendet wird, da bereits der durch die Saugstrahlpumpenwirkung entstehende Luftstrom einen Wärmeentzug aus dem Aktor bewirkt. Auch können die Luftleitbleche als Rohr oder anderweitig geformter Kanal, der zur Aktorunterseite führt, ausgebildet werden. Auch kann die Öffnung etwas stromaufwärts oder stromabwärts des engsten Düsenquerschnitts angeordnet werden oder die Form der Luftleitbleche des Abgaskanals oder der Gehäusewände selbstverständlich geändert werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine (19) eines Kraftfahrzeugs (10) mit
einem Kanalgehäuse (16), welches einen durchströmbaren Abgaskanal (18) begrenzt,
einem elektrischen Aktor (28) mit einem Aktorgehäuse (26), welches beabstandet zum Kanalgehäuse (16) am Kanalgehäuse (16) befestigt ist, und in dem ein Elektromotor (30) angeordnet ist, mittels dessen eine Antriebswelle (22) antreibbar ist, die in das Kanalgehäuse (16) ragt,
einer Abgasklappe (20), welche über Antriebswelle (22) mittels des Aktors (28) betätigbar ist und mittels deren ein Durchströmungsquerschnitt des Abgaskanals (18) regelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts der Abgasklappe (20) innerhalb des Kanalgehäuses (16) eine Düse (38) ausgebildet ist und am Kanalgehäuse (16) eine Öffnung (42) ausgebildet ist, die eine fluidische Verbindung zum engsten Querschnitt der Düse (38) aufweist, und die stromabwärts der in das Aktorgehäuse (26) ragenden Antriebswelle (22) am Kanalgehäuse (16) ausgebildet ist und in Umfangsrichtung betrachtet innerhalb einer Projektionsfläche (40) des Aktorgehäuses (26) auf das Kanalgehäuse (16) angeordnet ist, welche durch Projektion des Aktorgehäuses (26) in Richtung der Antriebswelle (22) auf das Kanalgehäuse (16) entsteht.
2. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung (42) in Durchströmungsrichtung des Abgaskanals (18) betrachtet innerhalb der Projektionsfläche (40) des Aktorgehäuses (26) auf das Kanalgehäuse (16) angeordnet ist, welche durch Projektion des Aktorgehäuses (26) in Richtung der Antriebswelle (22) auf das Kanalgehäuse (16) entsteht.
3. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (28) über Abstandshalter (29) am Kanalgehäuse (16) befestigt ist und ein Zwischenraum (24) zwischen dem Aktorgehäuse (26) und dem Kanalgehäuse (16) von der Antriebswelle (22) durchdrungen ist.
4. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet stromaufwärts des Aktors (28) ein Luftleitblech (44; 46) am Kanalgehäuse (16) angeordnet ist, welches in Richtung des Aktorgehäuses (26) weist.
5. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (28) an einer zu einem Fahrzeugunterboden (12) entgegengesetzten Seite des Abgaskanals (18) angeordnet ist und das Luftleitblech (44; 46) sich von der zum Fahrzeugunterboden (12) weisenden Seite des Abgaskanals (18) zur gegenüberliegenden Seite, auf der der Aktor (28) angeordnet ist, in Richtung des Aktorgehäuses (26) weisend erstreckt.
6. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Luftleitblech (46) sich in Richtung des Abgasstroms betrachtet von einem Bereich stromaufwärts des Aktorgehäuses (26) bis an ein stromaufwärtiges Ende des Aktorgehäuses (26) erstreckt.
7. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Luftleitblech (44) am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stromaufwärtigen Ende der Projektionsfläche (40) des Aktorgehäuses (26) auf das Kanalgehäuse (16) endet.
8. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Luftleitblech (44) am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stromaufwärtigen Ende der Projektionsfläche (40) des Aktorgehäuses (26) auf das Kanalgehäuse (16) endet und ein zweites Luftleitblech (46) in Richtung des Abgasstroms betrachtet am stromaufwärtigen Ende des Aktorgehäuses (26) endet.
9. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich vom stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses (26) zum Kanalgehäuse (16) eine Abschlusswand (47) erstreckt, die stromabwärtig zur Öffnung (42) am Kanalgehäuse (16) mündet.
10. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kanalgehäuse (16) abschnittsweise eine innere Kanalwand (32) und eine äußere Kanalwand (34) aufweist, wobei die Düse (38) an der inneren Kanalwand (32) ausgebildet ist, wobei ein Raum (36) zwischen den beiden Kanalwänden (32, 34) entsteht.
11. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung (42) an der äußeren Kanalwand (34) ausgebildet ist und axial unmittelbar stromaufwärts des engsten Querschnitts der Düse (38) in den Raum (36) mündet.
12. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Raum (36) ringförmig ist.
13. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung (42) im Bereich des engsten Querschnitts der Düse (38) angeordnet ist.
14. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einer zum Kanalgehäuse (16) weisenden Wand (48) des Aktorgehäuses (26) Mittel (50) zur Wärmeleitung ausgebildet sind.
15. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Wärmeleitung durch Rippen (50) auf der zum Kanalgehäuse (16) weisenden Oberfläche der Wand (48) des Aktorgehäuses (26) gebildet sind.
16. Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Wärmeleitung durch ein Material der zum Kanalgehäuse (16) weisenden Wand (48) des Aktorgehäuses (26) mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 100 W/m*K gebildet sind.
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