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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein hochdichtes Abgasventil zum Einbau
in eine Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
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Im
Zuge der weiteren Verschärfung
der Abgasnormen für
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ist es erforderlich, technische
Lösungen
für das Problem
der hohen Schadstoffemission der Verbrennungsmotoren zu finden,
bevor diese ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Hierzu schlägt beispielsweise
DE 19526765 vor, die Abgase
in der Startphase des Motors, in der die relevanten Abgasreinigungskomponenten
ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben, zeitweise durch
einen Absorber zu leiten, in dem die Schadstoffe zwischengespeichert
werden. Das in der zweiten Phase wärmere Abgas wird wegen der
in zwischen abnehmenden Absorptionsfähigkeit des Absorbers ohne
Durchströmung
des Absorbers durch den Hauptkatalysator geleitet und verursacht
eine schnelle Erwärmung
des selbigen. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Hauptkatalysators
wird der Absorber erneut durchströmt und die zwischengespeicherten
Schadstoffe werden ausgetrieben und anschleißend im Hauptkatalysator gereinigt.
Eine derartige Verschaltung zur Reduzierung der Schadstoffemissionen
in der Startphase eines Kraftfahrzeugs erfordert mindestens ein aktives
hochdichtes Abgasventil.
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In
einem alternativen oder ergänzenden
Ansatz wird die Abgasleitung des Verbrennungsmotors mittels eines
geeigneten hochdichten Abgasventils verschlossen, so dass der Verbrennungsmotor
gegen einen erhöhten
Abgasdruck arbeiten muss. Wird die eingespritzte Kraftstoffmenge
konstant gehalten, so hat der erhöhte Abgasdruck im Allgemeinen
eine Abnahme der Drehzahl zur Folge. Wird beispielsweise von einer
elektronischen Motorsteuerung die Drehzahl des Verbrennungsmotors
konstant gehalten, so wird hierzu die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht. Insgesamt
ergibt sich hieraus eine Erhöhung der
im Verbrennungsmotor anfallenden Abwärme, die zu einer deutlichen
Beschleunigung des Aufwärmvorgangs
führt.
Hat die Verbrennungsmotor die gewünschte Temperatur erreicht
oder wird er – beispielsweise
bedingt durch eine Fahrbewegung des Kraftfahrzeuges – mit einer
erhöhten
Last betrieben, so wird das Abgasventil wieder geöffnet, so
dass der Verbrennungsmotor wieder bei normalem Abgasdruck arbeitet.
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An
das für
solche Einsatzzwecke zu verwendende Abgasventil sind hohe Anforderungen
zu stellen, die mit den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen
nicht zu realisieren sind. Im geöffneten
Zustand des Abgasventils ist ein möglichst geringer Strömungswiderstand
zu realisieren. Im geschlossenen Zustand hingegen soll die Abgasleitung möglichst
vollständig
geschlossen sein. Eine entsprechende Ventilcharakteristik weisen
grundsätzlich aus
dem Stand der Technik bekannte Drosselklappenventile auf, von denen
bereits eine Vielzahl auch zum Einsatz in Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren
vorgesehen ist.
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So
ist beispielsweise aus der WO 01/50047A1 ein Abgasventil für einen
Verbrennungsmotor bekannt, welches als Drosselklappenventil ausgebildet
ist. Es ist dazu vorgesehen, in die Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs
eingesetzt zu werden und zur Steuerung des Abgasstroms durch eine Hauptleitung
oder durch eine Bypassleitung eingesetzt zu werden. Das in der genannten
Schrift offenbarte Abgasventil umfasst ein Gehäuse, in dem auf ei ner senkrechte
zum Abgasstrom angeordneten und in zwei Lagern drehbar gelagerten
Welle eine Sperrklappe schwenkbar zwischen einer Schließstellung und
einer Öffnungsstellung
angeordnet ist. Dabei weist die Sperrklappe eine längs ihres äußeren Umfangs
umlaufende Nut auf, in die eine geeignete, temperaturstabile Dichtung
eingesetzt ist. Das Gehäuse des
Drosselventils ist dabei so ausgebildet, dass sich in der Öffnungsstellung
der Sperrklappe nur geringe Berührflächen zwischen
der Dichtung und dem Gehäuse
ausbilden, in der Schließstellung
jedoch die Dichtung am gesamten Innenumfang des Gehäuses anliegt
und den Zwischenraum zwischen der Sperrklappe und der Gehäuseinnenwandung
vollständig ausfüllt. Das
so realisierte Abgasventil weist einen niedrigen Strömungswiderstand
in seinem geöffneten
Zustand auf und versperrt in seinem geschlossenen Zustand die Abgasleitung
praktisch vollständig. Unter
einer praktisch vollständigen
Absperrung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass sich auch
bei hohen Überdrucken
von 1 bar und darüber im
abgesperrten Bereich des Abgassystems, nur eine geringe Leckrate
durch das geschlossene Abgasventil ergibt. Auf diese Weise ist es
möglich,
auch bei einem geringen Abgasstrom – beispielsweise im Leerlauf
des Verbrennungsmotors – einen
hohen Gegendruck auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors zu erzielen
und damit zu einer schnellen Erwärmung
des Verbrennungsmotors zu gelangen.
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Nachteilig
an dem aus der WO 01/500 47 A1 bekannten Abgasventil ist jedoch
die für
eine ordnungsgemäße Funktion
unbedingt elastische Dichtung. Eine solche Dichtung muss geeignete
mechanische Eigenschaften wie eine ausreichende elastische Verformbarkeit
aufweisen, und darüber
hinaus den hohen Temperaturen der ausströmenden Abgase sowie der aggressiven
Atmosphäre
im Abgasstrom widerstehen. Im praktischen Einsatz hat es sich als
schwierig erwiesen, geeignete Dichtungsmaterialen mit einer ausreichenden
Standfestigkeit zu finden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein als Drosselklappenventil
ausgebildetes Abgasventil anzugeben, welches eine geringe Leckrate auch
bei hohen Überdrucken
aufweist und hohe Standzeiten ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch
ein Abgasventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Ein
solches Abgasventil weist eine innerhalb eines Gehäuses angeordnete
Sperrklappe auf, die auf einer quer zur Strömungsrichtung des Abgasstroms
angeordneten Welle befestigt ist. Die Sperrklappe ist auf dieser
Welle zwischen einer Öffnungsstellung
und einer Schließstellung
schwenkbar. Die Welle ist in einem ersten und einem zweiten Lager drehbar
gelagert. Erfindungsgemäß bildet
nun das Gehäuse
Anschlagflächen
für eine
Anlage der Sperrklappe in Schließstellung aus. Weiterhin ist
das Abgasventil erfindungsgemäß so ausgebildet,
dass sich die Sperrklappe in Öffnungsstellung
an Kontaktstellen im ersten und im zweiten Lager mechanisch am Gehäuse abstützt. Beim Übergang
der Sperrklappe von der Öffnungsstellung
in die Schließstellung
wird der mechanische Kontakt im zweiten Lager im Wesentlich aufgehoben.
Befindet sich die Sperrklappe schließlich in ihrer Schließstellung,
so ergibt sich ein mechanischer Kontakt zwischen der Sperrklappe und
der Welle einerseits und dem Gehäuse
andererseits nur noch im ersten Lager und im Bereich der Anschlagflächen, so
dass sich die Sperrklappe im Wesentlichen nur noch an diesen Kontaktstellen
mechanisch am Gehäuse
des Abgasventils abstützt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung führt die Welle der Sperrklappe
beim Übergang
von der Öffnungsstellung
in die Schließstellung
und umgekehrt eine Kippbewegung aus. Hierzu ist das zweite Lager vorzugsweise
so ausgebildet, dass es ein kontrolliertes Radialspiel der gelagerten
Welle erlaubt. Das erste Lager weist ebenfalls ein gewisses Radialspiel
auf, welches aber deutlich geringer gehalten sein kann und sich
im Allgemeinen von selbst ergibt, wenn das erste Lager so ausgebildet
ist, dass es eine Drehbewegung der gelagerten Welle unter allen
Betriebsbedingungen, insbesondere allen auftretenden Betriebstemperaturen,
die im Bereich zwischen –50°C und +500°C liegen
können,
erlaubt. Auf eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Lager wird
im Rahmen der Ausführungsbeispiele
näher eingegangen.
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In
dieser Weiterbildung ist die Welle des Abgasventils daher im ersten
Lager weitgehend spielfrei gelagert, wobei jedoch eine geringfügige Kippbewegung
der Welle im ersten Lager möglich
ist, und die Welle schwimmend im zweiten Lager gelagert, so dass
die beschriebene Kippbewegung beim Übergang von Öffnungszustand
in den Schließzustand und
umgekehrt möglich
ist.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn die Anschlagflächen im Gehäuse, d.h., diejenigen Bereiche,
an denen sich die Sperrklappe in ihrem Schließzustand anlegt, mit der für eine Dichtfläche erforderlichen
Genauigkeit ausgeführt
sind und mit einer Toleranz von weniger als 10/100 mm relativ zueinander im
Gehäuse
angeordnet sind.
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Eine
besonders hohe Dichtheit kann weiterhin dadurch erzielt werden,
dass der Drehpunkt des ersten Lagers und die Kontaktbereiche der
Anlagenflächen
im Gehäuse
in ihrer relativen Anordnung ebenfalls eine Toleranz von weniger
als 10/100 mm aufweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Drehpunkt
des ersten Lagers stromabwärts
außen-mittig
zwischen den der Anschlagflächen
des Gehäuses
angeordnet ist.
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Aufgrund
einer mechanischen Vorspannung eines die Stellklappe betätigendes
Aktuators und/oder des Abgasdrucks der laufenden Verbrennungskraftmaschine
liegt die schwimmend im zweiten Lager gelagerte Welle in ihrer Öffnungsstellung sowie
auch beim Übergang
zwischen Öffnungs-
und Schließstellung
einseitig im zweiten Lager an. Im Allgemeinen ergibt sich eine Kontaktstelle,
die auf der stromabwärts
gerichteten Seite des zweiten Lagers liegt. In dieser Position der
Welle erfolgt der größte Teil
der Drehbewegung der Welle beim Übergang von
der Öffnungsstellung
in die Schließstellung
und umgekehrt, hier bildet sich ein weitgehend fester erster Drehpunkt
im zweiten Lager aus. Besondere Vorteile ergeben sich nun, wenn
dieser erste Drehpunkt im zweiten Lager außermittig zwischen den Kontaktbereichen der
Anschlagflächen
des Gehäuses
angeordnet ist, insbesondere um einen definierten Betrag stromabwärts außermittig
angeordnet ist.
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Beim Übergang
in die Schließstellung
der Sperrklappe bewegt sich die Längsachse der Welle aus dem
ersten Drehpunkt des zweiten Lagers heraus und bewegt sich in einen
zweiten Drehpunkt. Der sich ergebende zweite Drehpunkt ist dabei
im Wesentlichen durch die Geometrie der Anschlagsflächen des
Gehäuses
und der Sperrklappe bestimmt, hier insbesondere ihre Dichtflächen, die
für ein
Anlage an die Anschlagsflächen
ausgebildet sind. Die Drehflächen
der Sperrklappe sind dabei mit der gleichen Präzision wie die Anschlagflächen bearbeitet, beispielsweise
durch eine Fräs-
oder Schleifbearbeitung.
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Die
effektive Dicke d der Sperrklappe in Schließstellung, unter der der Abstand
der Dichtflächen
der Sperrklappe in Strömungsrichtung
verstanden wird, ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass der sich ergebende
zweite Drehpunkt der Welle im zweiten Lager mittig in diesem angeordnet
ist, zumindest jedoch so, dass ein mechanischer Kontakt zwischen
der Welle und dem zweiten Lager in der Schließstellung vermieden wird.
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Die
effektive Dicke d der Sperrklappe wird i. a. so gewählt, dass
sie geringfügig
kleiner ist als der effektive Abstand A der Anschlagflächen des
Gehäuses,
wobei unter dem effektiven Abstand A wiederum der Abstand in Strömungsrichtung
des Abgasstroms zu verstehen ist. Vorzugsweise wird die effektive
Dicke d der Sperrklappe kleiner oder maximal gleich dem effektiven
Abstand A der Anschlagflächen
gewählt.
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Das
erfindungsgemäße Abgasventil
weist eine hohe Dichtheit auf, die es erlaubt, Überdrucke im Bereich von 1
bar und darüber
auch bei niedriger Motordrehzahl zu erzeugen. Aufgrund der neuartigen Abdichtung
des Ventils, die auf der Verwendung rein metallischer Dichtflächen basiert,
kann die Standfestigkeit des Ventils gegenüber den auf elastischen Dichtungen
basie renden Konstruktionen wesentlich erhöht werden. Die auf Siliziumstabilisiertem
Stahl in verschiedenen Kristallstrukturen basierenden hochtemperaturfesten
Gleitlager erlauben es, auf die Verwendung kostenintensiver Keramiklager
zu verzichten. Schließlich
ist es möglich,
zur Abdichtung der durch das Gehäuse
des Ventils hindurch greifenden Welle einfache SiC-Dichtringe einzusetzen.
Hierdurch wird die erforderlich Bearbeitung der zugeordneten metallischen
Dichtflächen
wesentlich vereinfacht, wodurch erneut deutliche Kostenvorteile
realisiert werden können.
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Weitere
Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Abgasventils ergeben sich
aus den Unteransprüchen
sowie den nun folgenden Ausführungsbeispielen,
die anhand der Zeichnung erläutert werden.
In dieser zeigen:
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1: eine perspektivische
Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Abgasventils,
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2: einen Schnitt durch das
Abgasventil aus 1 in
Aufsicht auf das zweite Lager,
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3: einen Schnitt durch ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Abgasventils
in Aufsicht auf das erste Lager im geöffneten Zustand der Sperrklappe,
und
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4: einen Schnitt durch das
Lager aus 1 in Aufsicht
auf das erste Lager im geschlossenen Zustand der Sperrklappe.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Abgasventils
in perspektivischer Ansicht. Das Abgasventil 10 besteht
aus einem metallischen Gehäuse 20,
welches beispielsweise mittels Feinguss hergestellt werden kann.
In der Wandung des Gehäuses 20 sind
zwei Bohrungen ausgeführt,
in denen ein erstes Lager 28 und ein zweites Lager 30 für eine quer
zur Strömungsrichtung
des Abgasstroms angeordnete Welle 16 angeordnet sind.
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Das
erste Lager 28 ist in einem Sackloch angeordnet. Dieses
Sackloch kann beispielsweise durch Durchbohren der Wandung des Gehäuses 20 und
nachträgliches
Verschließen
mittels eines Stopfens ausgebildet werden.
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Das
zweite Lager 30 ist in einer Durchgangsbohrung angeordnet,
durch die die Welle 16 hindurch greift, so dass sie aus
dem Gehäuse 20 hinausragt. Auf
dem durch das zweite Lager 30 hindurch greifenden Ende
der Welle 16 ist ein Hebel 14 angeordnet, der
für eine
Betätigung
der Welle 16 durch einen Aktuator 12 vorgesehen
ist. Dieser Aktuator 12 kann beispielsweise ein Federvorgespannter
Druckluftbetätigter
Aktuator sein. Darüber
hinaus können
alle weiteren für
den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeigneten Stellelemente verwendet
werden. Der Aktuator 12 ermöglicht eine kontrollierte Drehbewegung der
Welle 16 im ersten und zweiten Lager 28, 30 um einen
Winkel, der im Bereich von etwa 90° liegt.
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Auf
der Welle 16 ist mittels eines Befestigungsclips 24 eine
Sperrklappe 18 befestigt, z.B. durch Verschraubung mit
den Befestigungsbohrungen 26. Die Formgebung der Sperrklappe 18 ist
an den Innenquerschnitt des Gehäuses 20 angepasst. In
den gezeigten Ausführungsbeispielen
ist die Innenwandung 22 des Gehäuses 20 glatt ausgebildet und
das Gehäuse 20 weist
einen kreisförmigen
Querschnitt auf.
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Die
Sperrklappe 18 ist dabei so auf der Welle 16 angeordnet,
dass sie eine Öffnungsstellung
aufweist, bei der die Sperrklappe 18 im Wesentlichen in Strömungsrichtung
des Abgasstroms angeordnet ist, wie beispielsweise in 3 gezeigt ist. Weiterhin weist
sie eine Schließstellung
auf, in der die Sperrklappe 18 senkrecht zur Strömungsrichtung
des Abgasstroms angeordnet ist, wie beispielsweise aus 4 ersichtlich ist. Der Aktuator 12 ist
dazu eingerichtet, die Sperrklappe 18 zwischen ihrer Öffnungsstellung
und ihrer Schließstellung
zu verstellen.
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Das
erste Lager 28 und das zweite Lager 30 sind außermittig
im Gehäuse 20 angeordnet,
so dass sich die Welle 16 außermittig durch den Innenraum des
Gehäuses 20 erstreckt,
wie insbesondere den 3 und 4 zu entnehmen ist. Die Sperrklappe 18 weist
einen kreisförmigen
Querschnitt auf und ist so mit der Welle 16 verbunden,
dass der Mittelpunkt des kreisförmigen
Querschnitts der Sperrklappe 18 nicht mit der sich ergebenden
Drehachse der Welle 16 zusammenfällt. Wie den 3 und 4 entnommen
werden kann, ergibt sich auf dieser Weise ein kurzes und ein langes
Ende der Sperrklappe 18. Wie insbesondere 4 entnommen werden kann, ist dabei das lange
Ende der Sperrklappe 18 so angeordnet, dass der Abgasdruck
im abgesperrten Teil der Abgasleitung ein Drehmoment auf die Welle 16 ausübt, so dass
die Sperrklappe 18 auch gegen die Kraft des Aktuators 12 in
ihre Öffnungsposition
verdreht werden kann, wenn ein bestimmter Überdruck in der abgesperrten
Abgasleitung überschritten
wird. Dies stellt ein Sicherheitsmerkmal da, welches einen Betrieb
des Kraftfahrzeugs erlaubt, auch wenn das erfindungsgemäße Abgasventil
beispielsweise aufgrund eines Ausfalls eines Aktuators 12 oder
einer Fehlfunktion der zugehörigen
Steuerelektronik in seiner ordnungsgemäßen Funktion gestört ist.
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Die
Sperrklappe 18 und das Gehäuse 20 können vorteilhaft
in einem gängigen
Feingussverfahren hergestellt werden, insbesondere im Sandguss.
Die erforderliche Präzision
bei der Bearbeitung der ersten und zweiten Anschlagfläche 44, 46 des ersten
und zweiten Dichtungsvorsprungs 32, 34 lässt sich
durch eine stechende Bearbeitung der Dichtungsvorsprünge 32, 34 sowie
eine nachfolgende Fräsbearbeitung
realisieren.
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Das
Abgasventil 10 ist mittels der aus 2 ersichtlichen Anschlussstücke 42 in
die Abgasleitung des Kraftfahrzeugs eingefügt und gasdicht z.B. mittels
Verschweißen
mit dieser verbunden.
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Bis
zu diesem Punkt entspricht der Aufbau des Abgasventils dem Aufbau des
aus der WO 01/500 47 A1 bekannten Abgasventils. Abweichend von dem
Aufbau des genannten Abgasventils weist nun das erfindungsgemäße Abgasventil
keine umlaufenden Nut in der Sperrklappe 18 auf, vielmehr
ist der Außenumfang 54 der
Sperrklappe 18 als glatte Zylinderfläche ausgebildet, wie beispielsweise
der 3 entnommen werden
kann. Der Außendurchmesser
der Sperrklappe 18 ist dabei geringfügig kleiner gewählt als
der Innendurchmesser des Gehäuses 20,
so dass eine Drehbewegung der Sperrklappe 18 auf der Welle 16 möglich ist.
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Im
Gegensatz zu dem aus der WO 01/500 47 A1 bekannten Abgasventil erfolgt
die Abdichtung des Erfindungsgemäß Abgasventils 10 über eine
elastische Dichtung, sondern nunmehr durch Ausbildung erster und
zweiter Dichtungsvorsprünge 32, 34 auf der
Innenwandung 22 des Gehäuses 20, über eine Ausbildung
geeigneter Dichtflächen 50, 52 auf
der Sperrklappe 18 sowie über eine besonders geartete Ausbildung
des ersten und des zweiten Lagers 28, 30. Diese
Merkmale werden im Folgenden anhand der 2, 3 und 4 näher erläutert, die ein zweites Ausführungsbeispiel
zeigen, welches geringfügig
gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel
in 1 abgewandelt ist.
Das zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten durch Ausbildung eines geänderten
ersten Dichtungsvorsprungs 32 und eines geänderten
zweiten Dichtungsvorsprungs 34 auf der Innenwandung 22 des
Gehäuses 20.
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2 zeigt einen Schnitt durch
das Gehäuse 20 längs der
durch die Pfeile A-A gekennzeichneten Ebene in 1. Dabei zeigt 2 eine Aufsicht auf das zweite Lager 30 des
Abgasventils 10. Wie bereits ausgeführt, ist die Lagerbohrung 40 des
zweiten Lagers 30 als Durchgangsbohrung ausgeführt, wobei der
Innendurchmesser der Lagerbohrung 40 deutlich größer ist
als der Außendurchmesser
der Welle 16 im Bereich des zweiten Lagers 30.
Als besonders geeignet hat es sich herausgestellt, wenn die Differenz
beider Durchmesser zwischen 3 und 15% des Wellendurchmessers beträgt. Das
zweite Lager 30 ist dabei als reines Gleitlager ausgebildet,
wobei unter Um ständen
auf die Verwendung einer zusätzlichen
Lagerbuchse verzichtet werden kann, die in die Lagerbohrung 40 eingesetzt
wird. Dies wird im Folgenden ausführlich beschrieben. In einer
solchen Ausführung gleitet
die Welle 16 in der Lagerbohrung 40 unmittelbar
auf dem Material des Gehäuses 20.
Aufgrund der unterschiedlich dimensionierten Durchmesser von Lagerbohrung 40 und
Welle 16 ergibt sich eine schwimmende Lagerung der Welle
16 im zweiten Lager 30. Diese schwimmende Lagerung ist
wesentlich für
die Funktion des erfindungsgemäßen Abgasventils.
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Das
erste Lager 28 kann ebenfalls als Gleitlager ausgebildet
sein, welches in einem Sackloch im Gehäuse 20 angeordnet
sein kann. Auch hier ist es möglich,
durch eine geeignete Materialwahl, auf die im Folgenden noch eingegangen
werden wird, auf eine zusätzliche
Lagerbuchse zu verzichten, so dass sich ein Lauf der Welle 16 unmittelbar
auf dem Material des Gehäuses 20 ergibt.
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Das
erste Lager 28 weist im Gegensatz zum zweiten Lager 30 nur
ein geringes Radialspiel auf, so dass sich im ersten Lager 28 ein
im Wesentlichen festliegender Drehpunkt 48 ausbildet. Das
Lagerspiel des ersten Lagers 28 wird so gewählt, dass
unter allen Betriebsbedingungen des Abgasventils eine Drehbewegung
der Welle 16 in der ersten Lagerbohrung 56 möglich ist.
Es hat sich für
die erfindungsgemäße Funktion
des Abgasventils 10 als günstig herausgestellt, wenn
die Differenz zwischen dem Innendurchmesser der ersten Lagerbohrung 56 und
dem Außendurchmesser
der Welle 16 im Bereich des ersten Lagers zwischen etwa
1% und 7% des Außendurchmessers
der Welle 16 im Bereich des ersten Lagers 28 beträgt. Dieser
Größenunterschied
erlaubt für
die gewählte
Materialkombination, auf die noch eingegangen werden wird, unter
allen Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs eine Drehbewegung der Welle 16 in
der ersten Lagerbohrung 56, wobei das auftretende Lagerspiel
minimal ist.
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Das
Lagerspiel des ersten Lagers 28 ist in jedem Falle ausreichend
zu be messen, dass eine geringfügige
Kippbewegung der Welle 16 im ersten Lager und damit eine
weitgehend freie Bewegung der Welle 16 im als schwimmende
Lagerung ausgebildeten zweiten Lager 30 möglich ist.
Das Lagerspiel des ersten Lagers 28 darf nicht so bemessen
werden, das eine Kippbewegung der Welle 16 im ersten Lager 28 unmöglich wird.
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2 kann ebenfalls die Formgebung
des erfindungsgemäß vorgesehenen
ersten Dichtungsvorsprungs 32 und des zweiten Dichtungsvorsprungs 34 entnommen
werden. Beide Dichtungsvorsprünge weisen
einen dreieckförmigen
Querschnitt auf und sind rotationssymmetrisch jeweils über 180° gegeneinander
versetzt auf dem Innenumfang 22 des Gehäuses 20 ausgebildet.
Dabei bildet der erste Dichtungsvorsprung 32 eine im Wesentlichen
senkrecht zur Stromrichtung des Abgasstroms orientierte erste Anschlagfläche 44 aus,
und der zweite Dichtungsvorsprung 34 eine ebenfalls im
Wesentlichen senkrecht zur Stromrichtung des Abgasstroms orientierte
zweite Anschlagfläche 46.
Die erste und die zweite Anschlagfläche 44, 46 sind
zueinander hin orientiert und mit der zur Ausbildung einer metallischen
Dichtfläche erforderlichen
Präzision
bearbeitet.
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Wie 2 entnommen werden kann,
weist die erste Anschlagfläche 44 einen
effektiven Abstand A von der zweiten Anschlagfläche 46 auf. Dieser
effektive Abstand A ist dabei geringfügig größer gewählt als die effektive Dicke
d der Sperrklappe 18, die ebenfalls in 2 angedeutet ist und darüber hinaus 3 entnommen werden kann.
Als besonders geeignet hat es sich herausgestellt, wenn die Differenz zwischen
dem effektiven Abstand A und der effektiven Dicke d das 0,002 – 0,01-fache
des Außendurchmessers
K der Sperrklappe 18 beträgt, mithin wenn gilt: 0,002 ≤ (A – d)/K ≤ 0,01
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Die
Position der ersten Lagerbohrung 56 wird so gewählt, dass
ihr Mittelpunkt, der im Wesentlichen mit dem Drehpunkt 48 der
Welle 16 in der ers ten Lagerbohrung 56 zusammenfällt, nicht
in der Mitte zwischen der ersten Anschlagfläche 44 und der zweiten
Anschlagfläche 46 liegt.
Vielmehr wird die Position der ersten Lagerbohrung 56 so
gewählt,
das der Mittelpunkt geringfügig
näher an
der Anschlagfläche 44 des
stromaufwärts
orientierten ersten Dichtungsvorsprungs 32 liegt. Der Mittelpunkt
liegt daher geringfügig
stromaufwärts
außermittig
zwischen der ersten Anschlagfläche 44 und
der zweiten Anschlagfläche 46.
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Der
Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Lagerbohrung 56 und
der Mittellinie 58 der Sperrklappe 18 in ihrer
geschlossenen Position muss dabei der halben Differenz zwischen
dem Innendurchmesser der ersten Lagerbohrung 56 und dem Außendurchmesser
der Welle 16 im Bereich des ersten Lagers 28 entsprechen.
Es hat sich als wesentlich herausgestellt, dass der Innendurchmesser
der ersten Lagerbohrung 56, der Außendurchmesser der Welle 16 im
Bereich des ersten Lagers 28 sowie die Position der ersten
Lagerbohrung 56 mit hoher Präzision gefertigt werden, insbesondere
mit einer Genauigkeit von besser als 10/100 mm.
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Ein
besonders einfacher Aufbau des ersten Lagers 28 und des
zweiten Lagers 30 ergibt sich, wenn geeignete Materialien
für die
Welle 16 und das Gehäuse 20 gewählt werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn sowohl die Welle 16 als auch
das Gehäuse 20 aus
einem Siliziumstabilisierten Stahl bestehen. Dieser Siliziumstabilisierte
Stahl bildet beim Erhitzen an seiner Oberfläche eine siliziumhaltige Schicht
aus, die sehr glatt ist und eine hohe Abriebfestigkeit aufweist.
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Durch
eine geeignete Wahl der Kristallstrukturen der Materialien von Welle 16 und
Gehäuse 20 ist
es darüber
hinaus möglich,
eine Hitzebedingte Versinterung von Welle 16 und Gehäuse 20 zu
vermeiden. Es hat sich als günstig
herausgestellt, die thermisch höher
belastete Welle 16 aus einem Siliziumstabilisierten Stahl
in einer austernitischen Kristallstruktur zu fertigen. Eine Welle
aus einem solchen Material weist günstige Gleiteigenschaften in einem Gehäuse 20 auf,
welches ebenfalls aus einem Siliziumstabilisierten Stahl, hier jedoch
in einer austernitisch-ferritischen in eine rein ferritischen Kristallstruktur,
gefertigt ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Abgasventil
mit einem Stahl für
die Welle 16 gemäß DIN 1.4828
und einem Stahl gemäß DIN 1.4822
für das
Gehäuse 20 wurde
unter allen relevanten Betriebsbedingungen erfolgreich getestet.
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Gegenstand
der vorliegenden Anmeldung ist neben einem Abgasventil mit den Merkmalen
gemäß der Ansprüche auch
eine als Gleitlagerung ausgebildete Drehlagerung für thermisch
Hochbelastete Gleitlager, welche auf der beschriebenen Verwendung
Siliziumstabilisierter Stähle
in unterschiedlichen Kristallstrukturen basiert.
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Befindet
sich die Sperrklappe 18 in ihrem Öffnungszustand, so befindet
sich die Welle 16 aufgrund der Anordnung des Aktuators 12 sowie
des Hebels 14 im zweiten Lager 30 in mechanischem Kontakt
mit der Innenwandung der zweiten Lagerbohrung 40. Dieser
mechanische Kontakt bildet sich dabei aus auf der stromabwärts gelegenen
Seite der zweiten Lagerbohrung 40, wie aus 2 ersichtlich ist. Die Sperrklappe 18 nimmt
dabei die aus 3 ersichtliche
Position ein, in der sie im Wesentlichen senkrecht zum Abgasstrom
orientiert ist und den Strömungswiderstand
des erfindungsgemäßen Abgasventils 10 minimiert.
Es ist ohne weiteres möglich, auf
der als kreisförmige
Scheibe ausgebildeten Sperrklappe 18 Leitbleche oder Verstärkungen
vorzusehen, um ihre strömungstechnischen
oder mechanischen Eigenschaften zu verbessern, wie in 3 und 4 angedeutet ist.
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In
der geöffneten
Position der Sperrklappe bildet sich ein erster Drehpunkt 36 der
im zweiten Lager 30 gelagerten Welle 16 aus, der
aus 2 ersichtlich ist.
Wird nun die Sperrklappe 18 aus ihrer Öffnungsstellung in ihre Schließstellung
durch eine Betätigung
der Welle 16 durch den Aktuator 12 verdreht, so
ergibt sich über
einen weiten Winkelbereich eine Drehbewegung der Welle 16 im
zweiten Lager 30 um diesen ersten Drehpunkt 36.
Im ersten Lager 28 erfolgt die Drehbewegung der Welle 16 dabei
um einen im Wesentlichen festliegenden Drehpunkt 48.
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Hat
die Sperrklappe 18 fast ihre Schließposition erreicht, so gelangt
sie mit ihrer ersten Dichtfläche 50 und
ihrer zweiten Dichtfläche 52,
die aus den 3 und 4 ersichtlich sind, in mechanischen
Kontakt mit den als Dichtflächen
ausgebildeten ersten und zweiten Anschlagflächen 44, 46 des
ersten und zweiten Dichtungsvorsprungs 32, 34.
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Auch
nach Ausbilden eines ersten mechanischen Kontakts zwischen der Sperrklappe 18 und dem
Gehäuse 20 im
Bereich der beschriebenen Flächen
ist eine weitere Aktuator-vermittelte Dreh- und schließlich Kippbewegung
der Welle 16 aufgrund der schwimmenden Lagerung der Welle 16 im
zweiten Lager möglich.
Eine weitere Drehbewegung der Welle 16 bewirkt aufgrund
der Hebelwirkung der an den Anschlagflächen anliegenden Sperrklappe 18 eine Kippbewegung
der Welle 16. Die Welle 16 bleibt im Bereich des
ersten Lagers 28 in dessen Drehpunkt 48 im Wesentlichen
festgelegt, löst
sich jedoch im zweiten Lager 30 aus dem ersten Drehpunkt 36 heraus
und geht in einen zweiten Drehpunkt 38 über, der ebenfalls in 2 ersichtlich ist. Die genaue
Lage dieses zweiten Drehpunkts 38 ist durch die geometrischen
Bedingungen im Abgasventil 10 bestimmt, insbesondere von
den Dimensionen der Sperrklappe 18, ihrer Anordnung auf
der Welle 16 sowie der Relativanordnung der Dichtungsvorsprünge 32 und 34 sowie
der ersten Lagerbohrung 56 und der zweiten Lagerbohrung 40.
Erfindungsgemäß liegt
dieser zweite Drehpunkt 38 des zweiten Lagers 30 so
innerhalb des zweiten Lagers, dass im Schließzustand der Sperrklappe 18 der
mechanische Kontakt der Welle 18 im zweiten Lager 30 praktisch
vollständig
aufgehoben wird.
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Erfindungsgemäß ergibt
sich in der Schließstellung
aufgrund der beschriebenen geometrischen Verhältnisse des Abgasventils und
der Kippbewegung der Welle 16 beim Übergang in die Schließstellung
ein großflächiger mecha nischer
Kontakt zwischen der ersten Dichtfläche 50 und dem ersten Dichtungsvorsprung 32 sowie
der zweiten Dichtfläche 52 und
dem zweiten Dichtungsvorsprung 34. Darüber hinaus stützt sich
die Sperrklappe 18 nur noch im Bereich des ersten Lagers 28 am
Gehäuse 20 ab.
Dabei ermöglicht
die Kippbewegung der Welle 16 beim Schließvorgang
dieses großflächige „Anlegen" der Dichtflächen 50, 52 der
Sperrklappe 18 an die Anschlagflächen 44 der Dichtungsvorsprünge 32, 34.
Die Kippbewegung erlaubt es damit, eine außerordentlich hohe Dichtheit
des erfindungsgemäßen Abgasventils
zu realisieren. Dies erlaubt, auch bei niedrigen Abgasströmen, die
beispielsweise im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeuges
auftreten, hohe Überdrucke
im Bereich von 1 bar und darüber
aufzubauen.
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Das
erfindungsgemäße Abgasventil
kommt vollständig
ohne verschleißanfällige elastische
Dichtungen aus, was zu einer drastischen Erhöhung seiner Standzeit führt. Darüber hinaus
ist es kostengünstig
herzustellen, da die erforderlichen Drehlagerungen als einfache
metallische Gleitlager ausgeführt werden
können,
die vollständig
auf den Einsatz zusätzlicher
Buchsen verzichten können.
Insbesondere ist es nicht länger
erforderlich, wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen
kostenintensive Keramiklagerungen für die Wellenlagerung einzusetzen.
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Die
erfindungsgemäße schwimmende
Lagerung der Welle 16 im zweiten Lager 30 erfordert gegenüber dem
aus dem Stand der Technik bekannten Abgasventil eine veränderte Dichtung,
die jedoch ebenfalls ein vereinfachten Aufbau aufweisen kann. Die
Abdichtung des zweiten Lagers 30 kann beispielsweise als
zweifache Stirnflächendichtung
unter Verwendung von SiC-Dichtringen
zwischen jeweils zwei Stahldichtflächen ausgeführt werden. Eine Abdichtung
des Lagers 30 ist bei dem genannten Aufbau nur in axialer
Richtung erforderlich. Eine Abdichtung des Lagers 30 in
radialer Richtung ist nicht erforderlich. Dies erlaubt es, zusätzliche
Kostenvorteile bei der Fertigung zu realisieren, da ausschließlich Dichtflächen, die
in axialer Richtung orientiert sind, geschliffen werden müssen.
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- 10
- Abgasventil
- 12
- Aktuator
- 14
- Hebel
- 16
- Welle
- 18
- Sperrklappe
- 20
- Gehäuse
- 22
- Innenwandung
- 24
- Befestigungsclip
- 26
- Befestigungsbohrung
- 28
- erstes
Lager
- 30
- zweites
Lager
- 32
- erster
Dichtungsvorsprung
- 34
- zweiter
Dichtungsvorsprung
- 36
- erster
Drehpunkt
- 38
- zweiter
Drehpunkt
- 40
- Lagerbohrung
- 42
- Anschlussstück
- 44
- erste
Anschlagfläche
- 46
- zweite
Anschlagfläche
- 48
- Drehpunkt
- 50
- erste
Dichtfläche
- 52
- zweite
Dichtfläche
- 54
- Außenumfang
- 56
- erste
Lagerbohrung
- 58
- Mittellinie