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Die Erfindung betrifft eine Ventilklappe zur Regelung einer Durchflussmenge
eines Fluids durch einen Querschnitt einer Strömungsleitung, insbesondere zur
Regelung einer Durchflussmenge eines heißen Abgases in einer Abgasleitung
sowie ein entsprechendes Rotationsventil. Solche Ventilklappen bzw.
Rotationsventile eignen sich insbesondere zur Steuerung oder Regelung von Abgasströmen
in mobilen Abgasreinigungssystemen von Diesel- und oder Otto-Motoren.
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Angetrieben durch immer schärfere Abgasbestimmungen wurde insbesondere für
Personenkraftwagen die Entwicklung von Abgasrückführungssystemen
vorangetrieben. Grundsätzlich hat ein derartiges System die Aufgabe eine bestimmte
Menge des in einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgases in ein
bereitgestelltes Luft-Treibstoff-Gemisch einzuleiten, um auf diese Weise eine
Reduzierung der gebildeten Stickoxide zu erreichen. Beim Verbrennungsprozess werden
Kohlenwasserstoffe, wie sie beispielsweise in Benzin, Diesel oder dergleichen
enthalten sind, mit dem Sauerstoff der Luft in Kohlendioxid und Wasser
umgewandelt. Dabei reagiert allerdings auch der in der Luft enthaltene Stickstoff mit
dem Sauerstoff, wobei Stickoxide entstehen. Dabei ist es bekannt, dass bei
niedrigeren Temperaturen bei der Verbrennung weniger Stickoxide entstehen. Die
Folgen einer hohen Stickoxidemission sind beispielsweise eine geringere Effizienz
der Verbrennungskraftmaschine und eine erhöhte Luftverschmutzung. Aufgrund
der Tatsache, dass das in die Verbrennungskraftmaschine erneut eingeleitete
Abgas einen geringeren Sauerstoffgehalt enthält, steigt insgesamt der Inertgasanteil
im Verbrennungsraum und die Verbrennung verlangsamt sich unter Absenkung
der Stickoxid-Emission. Führt man beispielsweise ca. 10% des Abgasstromes
wieder in die Verbrennungskraftmaschine zurück, lässt sich eine
Stickoxidabsenkung von ca. 30% erreichen.
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Allerdings hat sich herausgestellt, dass eine Zugabe von Abgas in Abhängigkeit
der thermischen und/oder thermodynamischen Bedingungen im Brennraum der
Verbrennungskraftmaschine zu erfolgen hat, um einerseits einen hohen
Wirkungsgrad der Verbrennung und andererseits eine geringe Stickoxidemission zu
erzielen. Da die im Brennraum während der Verbrennung herrschenden
Temperaturen einen wesentlichen Einflussfaktor betreffend die Stickoxid-Emission
darstellen, ist es auch bekannt, das zurückgeführte Abgas vor dem Einleiten in das
Luft-Treibstoff-Gemisch aktiv zu kühlen, und auf diese Weise die Temperatur im
Brennraum zu senken.
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Um derartige Regulierungsmöglichkeiten zu gewährleisten, sind Abgassysteme
entwickelt worden, die mehrere Abgasrückführungsleitungen aufweisen. Dabei
wird das zurückzuführende Abgas in Abhängigkeit des Betriebszustandes der
Verbrennungskraftmaschine direkt zu dem Ansaugrohr zurückgeführt oder
zunächst über einen anderen Strang des Abgassystems zu einem Kühler geführt, in
dem die Temperatur des Abgases gesenkt wird, um anschließend dieses gekühlte
Abgas der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen. Die Regulierung der
zurückzuführenden Abgasströme hinsichtlich der Weiterleitung in verschiedene
Abgasrückführungsstränge zu vorgebbaren Zeitpunkten erfolgt mit Doppelklappen, wie
sie beispielsweise aus der DE 44 26 028 bekannt sind.
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Die DE 44 26 028 betrifft ein Abgasklappensystem für eine mehrsträngige
Abgasanlage. In den beiden Abgassträngen ist jeweils eine Abgasklappe vorgesehen,
wobei beide Abgasklappen eine gemeinsame Schwenkachse aufweisen, und die
beiden Abgasklappen um 90° gegeneinander verdreht angeordnet sind. Die beiden
Abgasstränge können somit wechselweise durch die Abgasklappen verschlossen
bzw. freigegeben werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das Abgas
während einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine ungekühlt zugeführt
wird, da dieses in der Kaltstartphase bekannterweise eine geringere Temperatur
aufweist. Nach der Kaltstartphase wird das zurückzuführende Abgas durch einen
Strang mit einem Abgaskühler (Wärmetauscher) geleitet, um die oben
beschriebenen positiven Effekte in Hinblick auf die Stickoxidemission zu erzielen. Die
Abgaskühler sind dabei bekanntermaßen so aufgebaut, dass sie den jeweiligen
Abgasstrang umschließen, wobei ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser oder
Luft, von diesem durchströmt wird.
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Da eine solche mehrsträngige Abgasrückführungsleitung relativ viel Platz
benötigt, was insbesondere in Hinblick auf die Anordnung einer solchen
Abgasrückführungsleitung im Motorraum eines Personenkraftwagens Probleme verursacht,
wurden neue Abgaskühler entwickelt. Diese Abgaskühler zeichnet sich dadurch
aus, dass sie in ihrem Inneren zweisträngig aufgebaut sind, wobei das den
Abgaskühler durchströmende Abgas in einem Strang gekühlt wird, während es in einer
anderen Leitung ungekühlt hindurchgeführt wird. Solche neuen Abgaskühler
weisen im Zentrum einen Innenkanal auf, der bevorzugt konzentrisch von einer
ringförmigen Strömungsleitung umgeben ist. Die ringförmige Strömungsleitung steht
im wärmeleitenden Kontakt mit einem äußeren Mantel, von außen mit einem
Kühlmedium umspült wird. Folglich wird das Abgas beim Durchströmen der
Strömungsleitung gekühlt. Wird das Abgas über den Innenkanal zurückgeführt,
behält dieses seine Temperatur im wesentlichen bei, da ein direkter und
wärmeleitender Kontakt zur Mantelfläche der Strömungsleitung unterbunden ist.
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Zu diesen unterschiedlichen Abgasreinigungssystemen sind auch verschiedene
Drosselklappensysteme bekannt, die zur Steuerung bzw. Regelung der
Abgasströme durch die gewünschte Abgasleitung dienen. Die Drosselklappensysteme
werden grob in Teller- bzw. Hubventile und Rotationsventile unterschieden. Bei
den Hubventilen wird üblicherweise eine Bewegung in axialer Richtung der zu
öffnenden bzw. der zu schließenden Abgasleitung durchgeführt, wobei der Teller
den Strömungsquerschnitt freigibt oder verschließt. Im Gegensatz dazu führen
Rotationsventile eine Rotation aus, wobei der Flügel zum Verschließen des
Strömungsquerschnittes senkrecht zur Strömungsrichtung und dichtend positioniert
wird, während er in einer geöffneten Position parallel zur Strömungsrichtung
ausgerichtet wird.
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Bezüglich der Fertigung und Montage einer Ventilklappe für ein Rotationsventil
haben sich einige technische Probleme aufgetan, die bislang schlicht
hingenommen wurden. Diese Probleme betreffen die Anordnung der Ventilklappe im
Gehäuse des Rotationsventils. Üblicherweise sind solche Gehäuse mit zwei
Lagerstellen versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Strömungsleitung
angeordnet sind. Zur Montage wurde zumeist die Welle durch eine dieser Lagerstellen
hindurchgesteckt, so dass sich diese durch die Strömungsleitung erstreckt.
Anschließend wurde nun der Flügel an der bereits im Gehäuse installierten Welle
befestigt. Hierzu waren beispielsweise zwei Alternativen bekannt, wobei der
Flügel bei einer Alternative in dieser Position mit der Welle fügetechnisch
verbunden, insbesondere verschweißt, wurde, wobei der Flügel auf der Oberfläche der
Welle anliegt. Die andere Alternative bestand darin, die Welle mit einem Schlitz
zu versehen, durch welchen der Flügel hindurchgeschoben werden konnte, wobei
dieser nach der Justierung mit vorzugsweise lösbaren Verbindungsmitteln
(Schrauben etc.) an der Welle befestigt wurde. Bei dieser Variante ist eine
thermische Behandlung der Ventilklappe zu vermeiden, da gerade bei der geschlitzten
Welle eine Verformung der Komponenten vermieden werden muss.
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Beide Alternativen erfordern ein nachträgliches Befestigen des Flügels an der
Welle, wobei sich die Welle bereits im Gehäuse befindet. Dabei kommt es bei
diesem Vorgang häufig zu Montagefehlern, die insbesondere ungewünschte
Eigenschaften des Rotationsventils in Hinblick auf die Dichtheit im geschlossenen
Zustand zur Folge haben. So hat beispielsweise die erstgenannte Alternative den
Nachteil, dass zur Fixierung des Flügels an der Welle thermische Energie in die
Ventilklappe eingeleitet wird, wobei das thermische Ausdehnungsverhalten der
Ventilklappe bzw. des Gehäuses eine exakte Justierung des Flügels gegenüber der
Strömungsleitung stark beeinträchtigt. Weiterhin kann diese thermischen
Energieeinbringung zu ungewollten Verformungen der Welle führen, die beispielsweise
die Lebensdauer eines solchen Rotationsventils negativ beeinflussen können, da
infolge der Verformung erhöhte Kräfte in den Lagerstellen auftreten. In Hinblick
auf die zweite Alternative ist ebenfalls eine exakte Justierung nur schwer möglich,
da dies schon allein wegen des Spiels bei den Befestigungsmitteln (z. B.
Schraube/Gewinde) unterbunden wird. Die Einbringung des Schlitzes in die Welle
unterliegt zudem sehr engen Fertigungstoleranzen, um einen ausreichend guten Sitz des
Flügels in der Welle zu ermöglichen. Weiterhin müssen bei der Montage eine
Vielzahl unterschiedlicher Komponenten aneinandergefügt werden, die leicht
verloren werden können und zudem eine verlängerte Montagedauer zur Folge haben.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilklappe
sowie ein entsprechendes Rotationsventil anzugeben, welches kostengünstig
herstellbar und leicht zu montieren ist, wobei insbesondere die Justierung der
Ventilklappe gegenüber dem zu verschließenden Strömungsquerschnitt erleichtert
werden soll.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Ventilklappe mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie durch ein Rotationsventil gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, welche einzeln
oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der
jeweils abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Ventilklappe zur Regelung einer Durchflussmenge eines
Fluids durch einen Strömungsquerschnitt einer Strömungsleitung, insbesondere
zur Regelung einer Durchflussmenge eines heißen Abgases in einer Abgasleitung,
hat eine Welle und einen Flügel hat, so dass die Ventilklappe in dem
Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung rotierbar anordenbar ist. Die Ventilklappe
zeichnet sich dadurch aus, dass sie einstückig ausgeführt ist, insbesondere
einstückig gesintert oder geschmiedet. Eine solche, einstückig ausgeführte Ventilklappe
für ein Rotationsventil hat eine Vielzahl von Vorteilen. Vordergründig erkennbar
ist die Tatsache, dass somit der Flügel und die Welle unverlierbar miteinander
verbunden sind. Dies vereinfacht die Herstellung, die Montage sowie die Wartung
der Ventilklappe bzw. eines entsprechenden Rotationsventils. Zudem bietet sich
nun die Möglichkeit, die Ventilklappe deutlich schlanker, leichter und
kostengünstiger herzustellen. Betrachtet man beispielsweise die geschlitzte Welle, so
musste diese einen minimalen Wellendurchmesser aufweisen, bei dem die
Ausbildung eines Schlitzes sowie die Anordnung des Flügels noch möglich war, ohne
die strukturelle Integrität der Ventilklappe zu gefährden. Bezüglich der thermisch
gefügten Variante ist ebenfalls ein solcher, relativ dicker Wellendurchmesser
erforderlich, um eine ausreichende Wärmekapazität der Welle zu gewährleisten und
auf diese Weise eine zu starke Verformung zu verhindern. Der gegenüber
bekannten Ausführungen von Ventilklappen reduzierte Wellendurchmesser hat weiterhin
auch ein geringeres Gewicht der Ventilklappe zur Folge, wodurch infolge der
Einsparung von Material auch die Fertigungskosten verringert werden können. Somit
vermeidet eine einstückige Ausführung der Ventilklappe aufwendige und
thermische Verfahrensschritte bei der Montage in einem Rotationsventil.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Ventilklappe ist der Flügel gegenüber
der Welle so angeordnet, dass dieser eine Achse der Welle direkt kreuzt. Die
Achse stellt dabei die Rotationsachse der Welle dar, so dass hier eine zentrische und
koaxiale Anordnung von Flügel und Welle beschrieben ist. Diese Anordnung hat
den Vorteil, dass beim Vorbeiströmen des Fluids an der Ventilklappe im
geöffneten Zustand keine scharfen Kanten oder dergleichen existieren, die eine
ungleichmäßige Strömung in einem stromabwärts der Ventilklappe gelegenen Bereich der
Strömungsleitung bedingen würden. Eine möglichst gleichmäßige, insbesondere
laminare Strömung ist dann erforderlich, wenn die Ventilklappe beispielsweise
einem Abgaskühler oder Komponenten zur chemischen Umsetzung von
Schadstoffen im Abgas vorgeschaltet ist. Mit "direkt" ist in diesem Zusammenhang
gemeint, dass im Gegensatz zu bekannten, um die Welle gebogene und
fügetechnisch befestigten Flügeln, hier eine Durchdringung der Achse durch den Flügel
gegeben ist. Allerdings kann der Flügel auch so ausgeführt sein, dass diese die
Welle parallel in Strömungsrichtung des Fluids vor oder nach der Achse
durchdringt.
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In Hinblick auf die hohen thermischen und dynamischen Belastungen des
Rotationsventils gerade in der Abgasleitung eines Otto- oder Dieselmotors in einem
Automobil wird die Welle üblicherweise beidseitig gelagert. Unter Umständen
(beispielweise bei nahezu gleichbleibenden Strömungseigenschaften des Abgases
oder einer Anordnung des Ventils an einer weit vom Motor entfernten, kühleren
Position im Abgassystem) ist es jedoch auch möglich, den Flügel an einem freien
Ende der Welle anzuordnen. Das bedeutet, das sich die Welle ausgehend von dem
Flügel in axialer Richtung unterschiedlich lang erstreckt. Insbesondere ist das
freie Ende so gestaltet, dass es sich nach der Montage in einer Strömungsleitung
nicht in einer Lagerstelle des Gehäuses, sondern in der Strömungsleitung selbst
befindet. Dieses freie Ende ist demnach kürzer als das andere, gelagerte Ende der
Welle ausgeführt, insbesondere hat es eine Erstreckung in Richtung der Achse,
die kleiner als 80%, bevorzugt kleiner als 50% und gegebenenfalls sogar kleiner
als 30% bzw. 10% der Erstreckung in axialer Richtung des anderen, gelagerten
Endes ist. Eine einseitig lagerbare Ventilklappe erleichtert die Montage zusätzlich
und reduziert infolge der Materialersparnis weiter die Fertigungskosten.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Welle Mittel zur Positionierung der Welle
und/oder des Flügels in Relation zu dem Strömungsquerschnitt der
Strömungsleitung aufweist. Hierfür eignen sich beispielsweise Anschläge, Nuten, Absätze oder
dergleichen. Aus der Flügel kann zusätzlich mit solchen Mitteln versehen werden,
insbesondere weist dieser Fasen und/oder Stufen über seinen Umfang auf. Diese
Mittel zur Positionierung sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die
Strömungsleitung mehrsträngig aufgebaut ist, speziell wenn die Strömungsleitung
noch einen koaxial angeordneten Innenkanal aufweist, der mit einem Mantelrohr
begrenzt ist. Das Zusammenspiel der Mittel zur Positionierung mit einem solchen
Mantelrohr wird später auch noch anhand der Figuren erläutert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Rotationsventil zur
Regelung einer Durchflussmenge eines Fluids durch einen Strömungsquerschnitt einer
Strömungsleitung, insbesondere zur Regelung einer Durchflussmenge eines
heißen Abgases in einer Abgasleitung angegeben. Das Rotationsventil weist dabei
eine den Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung begrenzendes Gehäuse, eine
einstückige Ventilklappe sowie mindestens eine Lagervorrichtung für eine
rotierbare Lagerung der Ventilklappe in dem Gehäuse auf. Dabei eignet sich ein solches
Rotationsventil auch als Ventilkomponentensatz, der nachträglich auf sehr
einfache Weise in bekannte Abgasreinigungssysteme bzw. Abgasrückführungssysteme
eingesetzt werden kann. Die geringe Anzahl von Komponenten gewährleistet eine
schnelle und einfache Montage, wobei thermische und/oder fügende
Verfahrensschritte bezüglich der Ventilklappe in dem Gehäuse vermieden werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Rotationsventils ist das Gehäuse
einstückig ausgeführt und die Ventilklappe über die Strömungsleitung in mindestens
eine Lagerstelle für die mindestens eine Lagervorrichtung einsetzbar. Im
Gegensatz zu einem geteilten Gehäuse, in das eine einstückige Ventilklappe bei der
Montage einfach in die Lagerstelle bzw. Lagerstellen hineingelegt werden kann,
erfolgt hier ein Einführen der Ventilklappe über die Strömungsleitung. Dabei ist
es besonders vorteilhaft, dass die mindestens eine Lagerstelle eine sich durch das
Gehäuse erstreckende Bohrung ist, diese zumindest eine größere Höhe aufweist,
als die Erstreckung des gelagerten Endes der Welle. Somit kann dieses gelagerte
Ende soweit eingeführt werden, das die Ventilklappe senkrecht zur
Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist. Gegebenenfalls kann nun auch das
gegenüberliegende Ende der Welle in eine Lagerstelle eingeführt werden, wenn
die Ventilklappe anschließend in axialer Richtung bewegt wird. Beispielhaft wird
die Gestaltung eines solchen Gehäuses nachfolgend mit Bezug auf die Figuren
näher erläutert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Rotationsventils weist dieses einen
Antrieb auf, der eine beliebige Rotation der Ventilklappe um die Achse der Welle
ermöglicht. Hierzu bieten sich beispielsweise elektrische oder mechanische
Antriebe an. Üblicherweise erfolgt eine Rotation der Ventilklappe nur um 90°, wobei
beispielsweise die Position bei 0° die geschlossene Position und 90° die
vollkommen geöffnete Position gegenüber der Strömungsleitung darstellt. Diese
Endpositionen werden bekanntermaßen durch Anschläge des Gehäuses und/oder der
Strömungsleitung gebildet, sie können jedoch auch über eine geeignete Software
oder dergleichen bei der Ansteuerung des Antriebes realisiert sein.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Rotationsventil in der mindestens einen
Lagerstelle eine Dichtung aufweist. Die Dichtung, welche vorzugsweise aus
Graphit hergestellt ist, hat die Funktion, die Strömungsleitung gegenüber der
Umgebung außerhalb des Gehäuses abzudichten. Graphit hat sich gerade bei
Abgasreinigungsanlagen überraschenderweise als Dichtmittel herausgestellt, obwohl
bislang davon ausgegangen wurde, dass Graphit nur eine thermische Stabilität bis ca.
450°C aufweist. Ein Einsatz als Dichtmittel im Abgassystem wurde bislang nicht
in Betracht gezogen, da sich wegen des das Gehäuse durchströmenden Abgases
thermische Beanspruchungen bis ca. 700°C ergeben. Ein Grund dafür, dass eine
Dichtung, die zumindest teilweise aus Graphit (insbesondere Graphitfolie)
besteht, bei derartig hohen Temperaturen ihre Funktionalität beibehält, ist in dem
hohen Inertgas-Anteil des vorbeiströmenden Abgases zu sehen. Gelangt das heiße
Abgas zur Dichtstelle oder zur Lagerung so hat der Kontakt mit dem Graphit eine
erhöhte thermische Stabilität des Graphits zur Folge. Ist die Dichtung
beispielsweise mit einer Graphitfolie gebildet, welche zu einem Ring geformt ist und über
die Achse gestülpt wird. Dabei wird dieser Ring mit Graphitfolie vorzugsweise
mittels der Lagervorrichtung gegen einen Anschlag des Gehäuses gedrückt, so
dass es zu einer Verformung der Graphitfolie bzw. des Ringes kommt. Diese
Verformung wirkt nun wie eine Art Labyrinthdichtung, so dass ein Ausströmen des
Abgases aus dem Gehäuse in die Umgebung dauerhaft verhindert wird. Die
Graphit-Dichtung steht nun von einer Seite mit dem nahezu sauerstofflosen Abgas in
Kontakt, während auf der anderen Seite durch die Hülse und dem erhöhtem Druck
in der Abgasanlage ein schädliches Eindringen von Luft vermieden wird.
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Mit Bezug auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ventilklappe bzw. des
entsprechenden Rotationsventil mit einem in Strömungsrichtung des Abgases
nachgeschalteten koaxialen Abgaskühler mit einem zentrisch angeordneten
Innenkanal, werden nun einige Details einer solchen Vorrichtung erläutert. Dabei ist
festzuhalten, das es sich hierbei um eine beispielhafte Beschreibung einer
Vorrichtung zur Abgasrückführung handelt, die Erfindung jedoch nicht auf dieses
Beispiels oder noch auf diese Anwendung beschränkt ist. Dabei ist das
Rotationsventil als Ventilkomponentensatz ausgeführt und umfasst eine einstückige
Ventilklappe mit Welle und Flügel (aus einem Material), eine Lagervorrichtung und ein
Gehäuse, wobei die Welle Mittel zur Positionierung des Flügels gegenüber dem
Innenkanal aufweist.
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Der Flügel hat eine Fläche, die kleiner als der freie Strömungsquerschnitt der
Strömungsleitung ist und im Wesentlichen einem Querschnitt des Innenkanals
entspricht, so dass mittels des Flügels der Innenkanal geöffnet oder geschlossen
werden kann, wobei die Durchflussmenge des Abgases durch den Innenkanal
variiert werden kann. Ein solcher Ventilkomponentensatz kann nachträglich exakt
zu dem Abgaskühler mit interner Bypass-Strömung ausgerichtet werden, wobei
zusätzlich Montagefehler vermieden werden. Außerdem ist gewährleistet, dass
geringe Abweichungen hinsichtlich der Positionierung der Ventilklappe zum
Innenkanal, wie sie beispielsweise infolge von Fertigungstoleranzen auftreten,
ausgeglichen werden können.
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In Hinblick auf eine gleichmäßige Verteilung des durchströmenden Fluids ist es
vorteilhaft, dass der Innenkanal zur Strömungsleitung im wesentlichen
konzentrisch angeordnet ist. Auf diese Weise ist bei einer zentralen Anströmung
gewährleistet, dass der Innenkanal keinen Strömungswiderstand darstellt und turbulente
Strömungen vermieden werden.
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Die Welle weist hie beispielsweise als Mittel zur Positionierung mindestens eine
Nut auf. Diese ist bevorzugt so ausgeführt, dass die mindestens eine Nut zur
Aufnahme eines den Innenkanal umgebenden Mantelrohres geeignet ist. Das
Mantelrohr weist dazu mindestens eine Aussparung (insbesondere ein Langloch) auf,
welche in die mindestens eine Nut der Welle eingreifen kann. Die mindestens eine
Nut dient zur Positionierung gegenüber dem Mantelrohr, wobei dieses zumindest
teilweise in die Nut eingreift. Auf diese Weise wird eine exakte Ausrichtung des
Flügels gegenüber dem den Innenkanal begrenzenden Mantelrohr sichergestellt,
so dass insbesondere Montagetoleranzen oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen
werden, wie sie beispielsweise in Hinblick auf die konzentrische Anordnung des
Mantelrohres gegenüber der Strömungsleitung oder aber der Welle bezüglich der
Lagerung im Gehäuse auftreten.
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Die Aussparung, die bevorzugt als Langloch ausgeführt ist, dient dabei zumindest
abschnittsweise als Anlagefläche für die Welle. Diese anliegenden Abschnitte
sollten jedoch kleiner als 50%, insbesondere kleiner als 30%, vorzugsweise
kleiner als 10% des Umfangs der Welle ausmachen, um gegebenenfalls
unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten der Welle gegenüber dem Mantelrohr
zu gewährleisten. Auch kann es unter Umständen vorteilhaft sein, dass eine
gewisse Bewegungsfreiheit der Welle in der Aussparung ermöglicht wird, so dass
Verunreinigungen wie Rußpartikel, Asche oder dergleichen, die sich während des
Betriebes einer solchen Abgasrückführungseinrichtung in der Aussparung
festsetzen können, aufgrund dieser Relativbewegung wieder gelöst werden. Dadurch
wird insbesondere eine Beeinträchtigung der Rotationsfreiheit der Welle durch
Verklebung verhindert.
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Hinsichtlich der Ausgestaltung der Aussparung als Langloch sei noch darauf
hingewiesen, dass die offene Seite des Langloches bevorzugt in entgegengesetzte
Richtung zur Strömungsrichtung angeordnet ist, so dass die Welle stets mit dem
durchströmenden Abgas in die Aussparung hineingedrückt wird. Ungeachtet
dessen besteht jedoch die Möglichkeit, derartige Ventilkomponentensätze auf der
Eintrittsseite oder auf der Austrittsseite des Innenkanals anzuordnen. Wird der
Ventilkomponentensatz mit einem Abgaskühler verbunden, wie er oben
beschrieben ist, so hat die Anordnung auf der Abgaseintrittsseite den Vorteil, dass an
dieser Stelle das rückzuführende Abgas noch eine sehr hohe Temperatur aufweist, so
dass Verschmutzungen oder beispielsweise Kondensation nahezu vermieden
werden können. Allerdings führt die hohe Temperatur des rückzuführenden Abgases
zu einer hohen thermischen Beanspruchung des Ventilkomponentensatzes, so dass
es unter Umständen auch vorteilhaft sein kann, diesen auf der Fluidaustrittsseite
anzuordnen. In diesem Fall sind eventuell besonders geformte Aussparungen zu
verwenden, die ein Herausdrücken der Welle verhindern, oder es können
zusätzliche Sicherungsmaßnahmen getroffen werden.
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Das Gehäuse weist vorteilhafterweise einen Flansch auf, wobei die
Lagervorrichtung der Welle über eine Wärmebrücke mit dem Flansch verbunden ist. Der
Flansch dient insbesondere zur Montage des Gehäuses an einen Abgaskühler,
wobei dieser naturgemäß eine deutlich reduzierte Temperatur gegenüber dem
Abgasstromes aufweist, der das Gehäuse durchströmt. Durch die Bildung einer
Wärmebrücke zwischen der Lagervorrichtung und dem Flansch ist ein schneller
Abtransport der in die Lagervorrichtung eingebrachte Wärme (beispielsweise über die
Welle oder das Abgas direkt) sichergestellt. Dies führt zu einer deutlich erhöhten
Lebensdauer in Hinblick auf die Funktionalität des Lagers. Die Lebensdauer kann
zusätzlich durch die Verwendung einer Graphitschmierung oder aber eines
Graphit enthaltenden Lagersitzes gesteigert werden.
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Der Durchmesser der Strömungsleitung ist in Strömungsrichtung eines
durchströmenden Fluid kleiner oder gleich einem angrenzenden Öffnungsdurchmesser
eines angrenzenden Bauteils. Auf diese Weise werden sogenannte Abrisskanten
am Umfang der Strömungsleitung vermieden, welche zu einer turbulenten
Strömung des Fluids führen würden. Eine solche turbulente Strömung hätte zur Folge,
dass eine exakte Steuerung bzw. Regulierung des Fluidstromes nicht mehr
gewährleistet wäre. Dabei gelten die gerade beschriebenen Beziehungen bei einer
Anordnung des Ventilkomponentensatzes stromaufwärts des angrenzenden
Abgaskühlers. Ist der Ventilkomponentensatz stromabwärts des Abgaskühlers
angeordnet, so ist der Außendurchmesser der Strömungsleitung in Strömungsrichtung
des durchströmenden Fluids größer oder gleich dem angrenzenden
Öffnungsdurchmesser des angrenzenden Bauteils ausgeführt. Auf diese Weise wird
vermieden, dass Teile des stromabwärts angeordneten Bauteils in den freien
Strömungsquerschnitt der Strömungsleitung hineinragen und zur Verwirbelung des
Fluids führen.
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Betrachtet man die Anordnung der Klappe quer zur Strömungsrichtung, so wird
zwischen dem Flügel und dem Mantelrohr des Innenkanals ein Ringspalt gebildet,
der seinen Ursprung insbesondere in der nachträglichen Positionierung des
Flügels in dem Mantelrohr hat. Dies hat nämlich zur Folge, dass der Flügel
gegenüber dem Mantelrohr mit ausreichend großen Montagetoleranzen versehen
werden muss, so dass eine exakte Positionierung des Flügels gegenüber dem
Mantelrohr innerhalb vorgebbarer Grenzen gewährleistet ist. Der Ringspalt ist dabei
vorteilhafterweise so ausgebildet, dass nur eine Bypass-Strömung von weniger als
5%, insbesondere weniger 3%, bevorzugt sogar kleiner 1% des in das Gehäuse
einströmenden Fluides erlaubt wird, das folglich größtenteils durch die
Strömungsleitung hindurchströmt.
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Bei einer Anordnung des Flügels quer zur Strömungsrichtung wird das Ziel
verfolgt, eine Durchströmung des Fluids durch den Innenkanal zu verhindern. Der
Ringspalt hat jedoch zur Folge, dass dennoch eine Bypass-Strömung durch den
Innenkanal hindurchströmt. Werden jedoch maximale Bypass-Strömungen von
5% gewährleistet, so lassen sich in Hinblick auf die Durchströmung eines
Abgaskühlers immer noch sehr exakt vorgebbare Temperaturbereiche des gekühlten
Abgasstromes erzielen, ohne die Effektivität des Abgaskühlers spürbar zu
beeinträchtigen. Zur Erzielung einer solch begrenzten Bypass-Strömung ist es
vorteilhaft, dass der Ringspalt eine Breite hat, die kleiner als 0,5 mm ist, bevorzugt
kleiner als 0,3 mm und insbesondere kleiner als 0,15 mm. Dabei ist insbesondere die
breiteste Stelle des Ringspalts gemeint, falls eine exakte zentrische Anordnung
des Flügels zu dem Mantelrohr nicht erreicht werden kann.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung des Rotationsventils hat der Flügel eine
Fläche, die gegenüber dem Querschnitt des Innenkanals verschieden ist. Hierbei ist
sowohl der Flächeninhalt, also die Größe der Fläche, sowie auch die Form oder
äußere Gestalt der Fläche gemeint. So ist es beispielsweise vorteilhaft, bei einem
kreisrunden Querschnitt des Innenkanals den Flügel mit einer ovalen Fläche
auszuführen, wobei der Flügel in der verschließenden Stellung nicht senkrecht zur
Strömungsrichtung ausgerichtet ist, sondern mit dieser einen anderen Winkel
bildet. Dies hat zur Folge, dass unter Umständen ein sehr kleiner Ringspalt gebildet
ist, der bevorzugt nicht umläuft, sondern durch mehrere Bereiche unterbrochen
wird, indem der Flügel an dem Mantelrohr anliegt. Das hat weiterhin den Vorteil,
dass der verbleibende Ringspalt nicht direkt angeströmt werden kann, und somit
eine unerwünschte Bypass-Strömung nahezu vermieden wird.
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Zur Verbesserung der Strömungseigenschaften im Inneren des Gehäuses weist
dieses einen Zugang auf, der so gestaltet ist, dass mindestens 75%, insbesondere
mindestens 85%, bevorzugt mehr als 95% eines in das Gehäuse einströmenden
Fluids in den Innenkanal strömt, wenn der Flügel in Strömungsrichtung
angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung des Zugangs ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn das Gehäuse stromaufwärts eines Abgaskühlers angeordnet ist. Somit ist
gewährleistet, dass das Fluid nahezu ausschließlich durch den Innenkanal strömt,
wenn der Flügel in der geöffneten Stellung ist. Die Ventilklappe ist dabei so in
Strömungsrichtung angeordnet, dass sie einen möglichst kleinen
Strömungswiderstand darstellt, und insbesondere auch beim Vorbeiströmen des Fluids eine
möglichst laminare Strömung aufrecht erhalten wird.
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Auch bei dieser Verwendung bietet sich eine Ausgestaltung der einstückigen
Ventilklappe an, bei der die Welle nur über eine Lagervorrichtung mit dem Gehäuse
verbunden. Das bedeutet, dass sich die Welle nicht über den gesamten
Strömungsquerschnitt bzw. Außendurchmesser der Strömungsleitung erstreckt. Die
Halterung bzw. Befestigung der Welle erfolgt nur noch an einem Punkt im
Gehäuse, während das andere Ende der Welle frei ist. Die Welle erstreckt sich dabei
bevorzugt über den Querschnitt des Innenkanals, so dass diese auch zwei Nuten
hat, die zur Ausrichtung gegenüber dem Innenkanal dienen. Eine solche
Ausführung der Ventilklappe hat die Vorteile, dass die Herstellung aufgrund des
Weglassens der zweiten Lagerung preiswerter wird, außerdem wird der durch die Welle
erzeugte Strömungswiderstand reduziert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen und insbesondere in
Verbindung mit einem Abgaskühler mit interner Bypass-Strömung näher
erläutert, wobei diese lediglich vorteilhafte und besonders bevorzugte
Ausführungsformen darstellen. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen schematisch:
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Fig. 1 eine Ausführungsform des Rotationsventils mit einer einstückigen
Ventilklappe in den Lagerstellen eines Gehäuses,
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Fig. 2 eine Ausführungsform des Rotationsventils mit einer einstückigen
Ventilklappe beim Einsetzen in ein Gehäuse,
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Fig. 3 perspektivisch eine erste Ausführungsform des
Ventilkomponentensatzes im montierten Zustand,
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Fig. 4 eine weitere Ansicht der Ausführungsform aus Fig. 3,
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Fig. 5 schematisch und perspektivisch eine Detailansicht einer
Ausführungsform des Ventilkomponentensatzes,
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Fig. 6 eine Detailansicht einer Ausführungsform des
Ventilkomponentensatzes in der geschlossenen Position;
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Fig. 7 die Ausführungsform aus Fig. 6 in einer geöffneten Position;
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Fig. 8 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des
Ventilkomponentensatzes und
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Fig. 9 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines
Ventilkomponentensatzes mit verkürzter Welle.
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Fig. 1 zeigt schematisch und in einer Teilansicht eine einstückige Ventilklappe 33
mit einer Welle 3 und einem Flügel 4. Die Ventilklappe 33 ist dabei in zwei
bezüglich der Strömungsleitung 2 gegenüber angeordneten Lagerstellen 35 mittels
Lagervorrichtungen 5 gelagert. Die oben dargestellte Lagerstelle 35 weist eine
Bohrung 36 auf, durch die sich die Welle 3 hindurch erstreckt, wobei diese dort
mit einem nicht dargestellten Antrieb 7 verbunden ist, der eine Rotation des
Flügels 4 in der Strömungsleitung 2 ermöglicht. Somit kann der Flügel 4 senkrecht
und parallel zur Strömungsrichtung 14 de Fluids positioniert werden. In dieser
Lagerstelle 35 sind zusätzlich Sprengringe 21 oder dergleichen angeordnet, die
eine gewisse Verspannung der Lagervorrichtung 5 sowie gegebenenfalls auch
einer Dichtung 23 gestatten. Diese oben dargestellte Lagerstelle 35 ist weiterhin
mit einer Buchse 32 versehen, die zur besseren Abdichtung gegenüber der
Umgebung sowie zur Fixierung des oberen Sprengringes 21 in die Bohrung 36
eingepresst ist.
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Die Montage der Ventilklappe 33 erfolgt dabei so, dass die Ventilklappe 33
schräg in den Strömungskanal eingeführt und das antriebsseitige Ende der Welle 3
durch die Bohrung 36 gesteckt wird. Je weiter das antriebsseitige Ende der Welle
3 in die Bohrung 36 hineingeschoben wird, desto mehr gelingt es, die
Ventilklappe 33 senkrecht zur Strömungsrichtung bzw. parallel zum Strömungsquerschnitt
40 (gestrichelt angedeutet) der Strömungsleitung 2 bzw. senkrecht zur
Strömungsleitung 2 auszurichten. Wenn die Ventilklappe senkrecht zur Strömungsleitung 2
ausgerichtet ist, wird das dem antriebsseitigen Ende gegenüberliegende Ende 31
der Welle 3 durch eine Bewegung der Ventilklappe 33 in Richtung der Achse 29
in die zweite, unten dargestellte Lagerstelle 35 eingeführt. Nun werden noch die
Lagervorrichtung 5, die Sprengringe 21, die Dichtung 23 und die Buchse 32 in die
oben dargestellte Lagerstelle 35 integriert. Aufgrund der Tatsache, dass die
Ventilklappe 33 einstückig ausgebildet ist, ist eine thermische Bearbeitung bzw. eine
weitere besonders schwierige Montage im Inneren des nicht dargestellten
Gehäuses 6 überflüssig. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Abmessungen des
Gehäuses 6 vorteilhafterweise so zu wählen, dass die Bohrung 36 eine möglichst
kleine Innere Bohrungsöffnung 38 und eine kleine Äußere Bohrungsöffnung 37
hat, damit die Komponente in den Lagerstellen 35 ebenfalls möglichst klein
ausgeführt werden können. Damit können wiederum die Fertigungskosten sehr
niedrig gehalten werden. Die Bohrungsöffnungen 37 und 38 sind aber nicht frei
wählbar, insbesondere nicht beliebig klein ausführbar. Die Größe der
Bohrungsöffnungen 37 und 38 hängt im Wesentlichen von dem Strömungsquerschnitt 40, der
Kante 39 und der Dicke der Welle 3 ab. Die entsprechenden relevanten
Kenngrößen werden anhand der Fig. 2 erläutert.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine Welle beim Einsetzen in zwei Lagerstellen über die
Strömungsleitung. Die Welle entspricht bei dieser Darstellung der geometrischen
Verhältnisse einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen einstückigen
Ventilklappe. Wie bereits erwähnt, ist die Bohrung 36 nicht beliebig klein ausführbar.
Aus diesem Grund sollen nun einige Beziehungen und Beispiele angegeben
werden, welche die relevanten Zusammenhänge veranschaulichen. Die dargestellten
Kenngrößen lauten:
A: Abstand
B: Bohrungsdurchmesser
D: Strömungsleitungsdurchmesser
H: Bohrungshöhe
L: Länge
d: Wellendurchmesser
x: Erste Teilsstrecke
y: Zweite Teilstrecke
α: Winkel
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Zur Bestimmung des minimalen Bohrungsdurchmesser B sind der Abstand A der
beiden Kanten 39 sowie der Wellendurchmesser d maßgeblich. Über die Kanten
39 wird der Winkel α bestimmt, der den kleinsten bzw. flachsten Winkel darstellt.
An der Inneren Bohrungsöffnung 38 setzt sich der Bohrungsdurchmesser B aus
der Erste Teilsstrecke x und Zweite Teilstrecke y zusammen:
B = x + y.
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Die Erste Teilsstrecke x ist dabei von dem Wellendurchmesser d und dem Winkel
α abhängig, wobei sich folgender Sachverhalt ergibt:
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Die Zweite Teilstrecke y kann ebenso in Abhängigkeit des Winkels α und der
Höhe H der Bohrung bestimmt werden, wobei sich die Zweite Teilstrecke y
besonders einfach über einen Strahlensatz bestimmen lässt:
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Somit ergibt sich zunächst folgende Berechnungsvorschrift:
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Der Betrag des Winkels α ist aber wie erwähnt stets von der Ausgestaltung der
Strömungsleitung 2, den Lagerstellen 35 und der Ventilklappe 33 abhängig, so
dass sich der Winkel α auch anhand deren Abmaße beschreiben lässt:
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Anhand der dargestellten Gleichungen lässt sich der Bohrungsdurchmesser B in
Abhängigkeit des Abstandes A, des Strömungsdurchmessers D, der Höhe H der
Bohrung und des Wellendurchmessers d bestimmen. Dabei kann die Bohrung 36
wie dargestellt auch mehrere Absätze bzw. Anschläge 22 aufweisen, wobei die
weiter außen liegenden Absätze sich stets dem Winkel α, der sich aus dem
innenliegenden Bohrungsabschnitt ergibt, anpassen müssen.
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In einem (nicht dargestellten) Beispiel weist die obere Lagerstelle 35 zwei
Anschläge 22 und eine Kante 39 an der Äußeren Bohrungsöffnung 37 auf. Bei einem
Wellendurchmesser d = 6 mm, einem Abstand A der beiden Kanten 39 = 19 mm,
einem Strömungsdurchmessers D = 52 mm sowie den Höhen H1 = 16,4 mm
(Innere Bohrungsöffnung 38 bis erster Anschlag 22), H2 = 20,7 mm (Innere
Bohrungsöffnung 38 bis zweiter Anschlag 22) und H3 = 29,4 mm (Innere
Bohrungsöffnung 38 bis Äußeren Bohrungsöffnung 37), ergeben sich folgende
Bohrungsdurchmesser: B1 = 10 mm, B2 = 12 mm, B3 = 16 mm.
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Fig. 3 zeigt schematisch und perspektivisch eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Rotationsventil 34 zum Verschließen eines Innenkanals 1, der
in einer Strömungsleitung 2 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform
wird die Strömungsleitung 2 in eine Mehrzahl von Teilströmungen unterteilt. Das
Rotationsventil 34 umfasst eine einstückige Ventilklappe 33 mit einer Welle 3
und einem Flügel 4, eine Lagervorrichtung 5 und ein Gehäuse 6 (nicht
dargestellt), wobei die Welle 3 Mittel zur Positionierung des Flügels 4 gegenüber dem
Innenkanal 1 aufweist. Der Innenkanal 1 ist in der dargestellten Ausführungsform
im wesentlichen konzentrisch zur Strömungsleitung 2 angeordnet.
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Als Mittel zur Positionierung weist die Welle 3 zwei Nuten 8 auf, die zur
Aufnahme eines den Innenkanal 1 umgebenden Mantelrohres 9 geeignet sind. Das
Mantelrohr 9 weist hierbei zwei Aussparungen 10 auf, die als Langlöcher
ausgeführt sind, wobei die Aussparungen 10 jeweils in eine Nut 8 der Welle 3
eingreifen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Flügel 4 zentrisch zum
Innenkanal 1 bzw. dem Mantelrohr 9 ausgerichtet ist. Die Nuten 8 dienen somit auch zur
Justierung des Flügels 4 in Richtung einer Achse 29, indem die Nuten 8 in die
Aussparungen 10 eingreifen. Die Ausführung der Aussparungen 10 als
Langlöcher hat zudem den Vorteil, dass ein unterschiedliches thermisches
Ausdehnungsverhalten des Mantelrohres 9 und der Ventilklappe 33 in dieser Verbindungsstelle
zumindest teilweise kompensiert werden kann. Somit können insbesondere
thermische Spannungen in dieser Verbindungsstelle zumindest in Richtung der
Längsachse der Langlöcher bzw. in Strömungsrichtung 14 des Fluids reduziert
oder sogar vermieden werden. Dies gewährleistet die Funktionstüchtigkeit des
Rotationsventils 34 auch bei eines thermischen Wechselbeanspruchung, wie sie
beispielsweise in der Abgasrückführungsleitung eines Automobils auftritt.
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Das Rotationsventil 34 ist mit einem stromabwärts angeordneten Bauteil 16
(Abgaskühler) verbunden. Das als Abgaskühler ausgeführte Bauteil 16 ist von einem
Kühlmittel durchströmbar, wobei in der Darstellung eine Kühlmittelzufuhr 26 zu
erkennen ist, die nahe dem Ventilkomponentensatz angeordnet ist. Die Zufuhr des
Kühlmittels nahe der Einströmseite gewährleistet einen großen
Temperaturunterschied des Kühlmediums (Wasser, Luft oder dergleichen) gegenüber dem noch
sehr heißen Abgas, so dass eine rasche Abkühlung sichergestellt ist.
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Der Flügel 4 ist über die Welle 3 mit einem Antrieb 7 so verbunden, dass jede
beliebige Position des Flügels 4 in bezug auf die Strömungsrichtung 14 (nicht
dargestellt) des durchströmenden Fluids ermöglicht wird. Vorliegend ist der
Flügel 4 in der geöffneten Position dargestellt (parallel zur Strömungsrichtung 14), so
dass das einströmende Fluid im wesentlichen durch den Innenkanal 1 strömt.
Diese geöffnete Position des Flügels 4 wird bevorzugt in der Kaltstartphase eines
Verbrennungsmotors eingenommen, so dass das Abgas den Abgaskühler
ungekühlt durch den Innenkanal 1 durchströmt und der Verbrennungskraftmaschine im
heißen Zustand zugeführt wird. Wird der Flügel 4 in eine geschlossene Position
bewegt, so dass sie im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 14 (nicht
dargestellt) angeordnet ist und den Innenkanal 1 verschließt, strömt das Fluid
nahezu vollständig durch die Strömungsleitung 2. Dabei steht das Fluid in
intensivem Kontakt mit einem Mantel 30 des Abgaskühlers, wodurch eine effektive
Kühlung des Abgases auf einen vorgebbaren Temperaturbereich gewährleistet ist.
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Fig. 4 zeigt schematisch und perspektivisch eine Seitenansicht eines Bauteiles 16
(Abgaskühler), das in Strömungsrichtung 14 gesehen, dem Rotationsventil 34
nachgeschaltet ist. Das Rotationsventil 34 ist in einer Montageebene 25 mit dem
Bauteil 16 über einen Flansch 11 des Gehäuses 6 bevorzugt lösbar (mit bekannten
Verbindungsmitteln) verbunden. An dem Gehäuse 6 ist ein Antrieb 7 befestigt,
der eine Rotation der Ventilklappe 33 (nicht dargestellt) bewirkt. In dem
gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rotationsventil 34 so angeordnet, dass das Fluid
über einen Zugang 28 in das Gehäuse 6 eingeleitet wird, wobei die Art der
Durchströmung des Bauteils 16 von der Position des Flügels 4 abhängt. Der
Zugang 28 des Gehäuse 6 ist so gestaltet, dass mindestens 95% eines in das
Gehäuse 6 einströmenden Fluides in den Innenkanal 1 (nicht dargestellt) strömt, wenn
der Flügel 4 (nicht dargestellt) in Strömungsrichtung 14 angeordnet ist (geöffnete
Position) und somit den Innenkanal 1 (nicht dargestellt) freigibt. Das an das
Rotationsventil 34 angrenzende Bauteil 16 ist als Wärmetauscher, insbesondere
Abgaskühler, ausgeführt, wobei das Bauteil 16 in einem stromabwärts gelegenen
Abschnitt einen Kühlmittelauslaß 27 aufweist.
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Fig. 5 zeigt schematisch und perspektivisch eine Detailansicht, welche die
Positionierung der einstückigen Ventilklappe 33 mit Welle 3 und Flügel 4 gegenüber
dem Mantelrohr 9 verdeutlicht. Die Nuten 8 greifen dabei in die als Langlöcher
ausgeführten Aussparungen 10 des Mantelrohres 9. Dabei ist zu erkennen, dass
die Welle 3 nur in bestimmten Teilbereichen an dem Mantelrohr 9 anliegt und
insbesondere in Strömungsrichtung 14 ein Spalt zwischen der Welle 3 und dem
Mantelrohr 9 gebildet ist. Dieser ist vorzugsweise so zu wählen, dass eine
Verschmutzung bzw. Verklebung verhindert wird, die die Rotation der
Ventilklappe 33 behindern würde. Die Welle 3 ist über zwei Lagervorrichtungen 5 in einem
Gehäuse 6 (nicht dargestellt) gelagert. Zur Positionierung der Welle gegenüber
dem Mantelrohr 9 und dem Gehäuse 6 (nicht dargestellt) weist ein solcher
Ventilkomponentensatz zusätzlich einen Sprengring 21 auf, der in bekannter Weise an
einem Anschlag 22 (nicht dargestellt) des Gehäuses 6 (nicht dargestellt) fixiert
wird. Der Flügel 4 kann nun beliebig rotieren, insbesondere in einem Winkel von
0° bis 90°, wobei diese Grenzwerte jeweils einen vollständig geöffneten und einen
komplett verschlossenen Zustand darstellen. Dieser bevorzugte Rotationsbereich
wird üblicherweise mittels installierter Endschalter begrenzt (mechanischer
und/oder software-technischer Natur). Durch die Ausrichtung der Fläche 19 des
Flügels 4 gegenüber der Strömungsrichtung 14 wird die Menge des den
Innenkanal 1 sowie die Strömungsleitung 2 (nicht dargestellt) durchströmenden Fluids
geregelt.
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Fig. 6 zeigt eine Detailansicht einer Ausführungsform des als
Ventilkomponentensatz ausgeführten Rotationsventils, wobei der Flügel 4 in der geschlossenen
Position dargestellt ist. Zwischen dem Flügel 4 und dem Mantelrohr 9 wird ein
Ringspalt 17 gebildet, der nur eine Bypass-Strömung durch den Innenkanal 1
(nicht dargestellt) von weniger als 3% erlaubt. Der überwiegende Teil des
durchströmenden Fluids strömt in dieser geschlossenen Position durch die
Strömungsleitung 2. Dabei weist der Ringspalt 17 eine Breite 18 auf, die bevorzugt kleiner
als 0,3 mm ist.
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Fig. 7 zeigt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der Ventilklappe
33. Die Welle 3 ist nun so gedreht, dass der Flügel 4 einen größtmöglichen
Querschnitt 20 des Innenkanals 1 freigibt, und nahezu der gesamte Fluidstrom durch
den Innenkanal 1 hindurchströmt. In dieser Darstellung sind auch die zwei
Nuten 8 deutlich zu erkennen, die zur Positionierung des Flügels 4 gegenüber dem
Innenkanal 1 bzw. dem Mantelrohr 9 dienen.
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Fig. 8 zeigt schematisch und in einer Schnittansicht eine weitere
Ausführungsform eines Rotationsventils 34. Die einstückige Ventilklappe 33 bzw. die Welle 3
ist über die Lagervorrichtungen 5 in dem Gehäuse 6 gelagert. Zumindest nahe
einer Lagervorrichtung 5 ist eine Dichtung 23 angeordnet, die vorzugsweise aus
Graphit hergestellt ist und die Strömungsleitung 2 gegenüber der Umgebung 24
außerhalb des Gehäuses 6 abdichtet. Die Dichtung 23 wird mittels der
Lagervorrichtungen 5 gegen das Gehäuse 5 verpresst und dabei bevorzugt auch etwas
verformt bzw. gestaucht um sicherzustellen, dass eine möglichst vollständige
Abdichtung erfolgt. Mit etwas axialem Spiel wird die Lagervorrichtung 5 mittels
einem Sprengring 21 gesichert, wobei der Sprengring 21 gegen einen Anschlag 22
des Gehäuses 6 gepresst wird. Zusätzlich ist wird die Lagervorrichtung 5 und die
Dichtung 23 von einer Buchse 32 geschützt. Diese gewährleistet beispielsweise,
dass eine Dichtung 23 aus Graphit bis zu Temperaturen von 1300°C beständig
bleibt, da ein Kontakt des Graphits mit Sauerstoff der Luft vermieden wird.
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Das Gehäuse 6 hat einen Flansch 11, der mit der Lagervorrichtung 5 über eine
Wärmebrücke 12 verbunden ist. Die Wärmebrücke 12 zeichnet sich durch eine
besonders gute Wärmeleitfähigkeit aus, so dass die über die Welle in die
Lagervorrichtung 5 eingebrachte Wärme des Abgases schnell abgeführt wird und somit
die Langlebigkeit der Lagervorrichtung 5 gewährleistet ist. Dies wird
insbesondere dadurch verstärkt, dass das angrenzende Bauteil 16 (angedeutet durch
gestrichelte Linien) eine im vergleich zum Abgas deutlich geringere Temperatur
aufweist. Dabei ist zu gewährleisten, dass die Wärmebrücke 12 bzw. der Flansch 11
Temperaturen aufweisen, die deutlich unterhalb von 350°C, insbesondere unter
250°C und besonders bevorzugt unter 150°C während des gesamten Betriebes
liegen.
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Das Rotationsventil 34 ist stromaufwärts des angrenzenden Bauteils 16
angeordnet, so dass das Abgas zunächst durch das Gehäuse 6 und anschließend durch das
Bauteil 16 hindurchströmt. Dabei weist die Strömungsleitung 2 einen
Außendurchmesser 13 auf, der kleiner oder gleich einem angrenzenden
Öffnungsdurchmesser 15 des angrenzenden Bauteils 16 ist. Auf diese Weise werden
Strömungskanten vermieden, die zur Verwirbelung des durchströmenden Fluids führen
würden. Um eine besonders gute Anströmung der Strömungsleitung 2 bei
geschlossener Position des Flügels 4 zu bewirken, kann es unter Umständen vorteilhaft sein,
in dem Zugang 28 (nicht dargestellt) des Gehäuses 6 Leitstrukturen anzuordnen,
die im Bedarfsfall eine Strömungsumlenkung von zentralen Bereichen des
Zugangs 28 (nicht dargestellt) hin zu der außenliegenden, ringförmig ausgebildeten
Strömungsleitung 2 ermöglichen. Somit könnten der Staudruck im Inneren des
Gehäuses bzw. die turbulenten Eigenschaften des durchströmenden Fluids
reduziert werden.
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Fig. 9 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Rotationsventiles
34, wobei die einstückige Ventilklappe 33 nur über eine Lagervorrichtung 5 mit
dem Gehäuse 6 verbunden ist. Die Halterung bzw. Befestigung der Welle 3
erfolgt nur noch in einem Bereich des Gehäuses 6, während das andere Ende 31 der
Welle 3 frei ist. Die Welle 3 erstreckt sich dabei über den Querschnitt 20 des
Innenkanals 1, so dass diese auch zwei Nuten 8 hat, die zur Ausrichtung gegenüber
dem Mantelrohr 9 des Innenkanals 1 dienen. Eine solche Ausführung der
Ventilklappe 33 hat den Vorteil, dass die Herstellung aufgrund des Weglassens der
zweiten Lagervorrichtung (nicht dargestellt) preiswerter wird. Außerdem wird der
durch die Welle 3 erzeugte Strömungswiderstand reduziert. Die Welle 3 und die
Klappe 4 sind dabei einstückig hergestellt, insbesondere wurden sie aus dem
gleichen Material und in einem Verfahrensschritt gesintert.
Bezugszeichenliste
1 Innenkanal
2 Strömungsleitung
3 Welle
4 Flügel
5 Lagervorrichtung
6 Gehäuse
7 Antrieb
8 Nut
9 Mantelrohr
10 Aussparung
11 Flansch
12 Wärmebrücke
13 Außendurchmesser
14 Strömungsrichtung
15 Öffnungsdurchmesser
16 Bauteil
17 Ringspalt
18 Breite
19 Fläche
20 Querschnitt
21 Sprengring
22 Anschlag
23 Dichtung
24 Umgebung
25 Montageebene
26 Kühlmittelzufuhr
27 Kühlmittelauslass
28 Zugang
29 Achse
30 Mantel
31 Ende
32 Buchse
33 Ventilklappe
34 Rotationsventil
35 Lagerstelle
36 Bohrung
37 Äußere Bohrungsöffnung
38 Innere Bohrungsöffnung
39 Kante
40 Strömungsquerschnitt
A Abstand
B Bohrungsdurchmesser
D Strömungsleitungsdurchmesser
H Bohrungshöhe
L Länge
d Wellendurchmesser
x Erste Teilsstrecke
y Zweite Teilstrecke
α Winkel