DE102007049171B4

DE102007049171B4 - Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine mit diagnosefähigem Absperrventil sowie diagnosefähiges Absperrventil

Info

Publication number: DE102007049171B4
Application number: DE102007049171.0A
Authority: DE
Inventors: Hubert Graf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-10-13
Filing date: 2007-10-13
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2027-10-14
Also published as: DE102007049171A1; US20090094970A1; US8468804B2

Abstract

Absperrventil zur Verwendung in einem Abgasstrang, enthaltendein Gehäuse,einem ersten ringförmigen Ventilsitz (24) und einem zweiten ringförmigen Ventilsitz (26), die in Strömungsrichtung beabstandet sind,eine zum Absperren bzw. Öffnen des Absperrventils betätigbare Ventilgliedbaugruppe (31, 34, 36) mit zwei Ventilkörpern (34, 36), die bei abgesperrtem Absperrventil an je einem der Ventilsitze (24, 26) anliegen, undeinen zwischen den Ventilsitzen (24, 26) und/oder Ventilkörpern (34, 36) ausgebildeten Diagnoseraum (38), der bei geschlossenem Absperrventil und dichtend an den Ventilsitzen (24, 26) anliegenden Ventilkörpern (34, 36) nur über eine Diagnoseleitung (40) zugänglich ist,wobeidie Ventilkörper (34, 36) starr mit einem Ventilschaft (31) verbunden sind,an dem Gehäuse starr der erster ringförmiger Ventilsitz (24) ausgebildet ist, der integral mit dem Gehäuse oder durch ein gesondertes Bauteil, das starr mit dem Gehäuse verbunden ist, ausgebildet ist,an dem Gehäuse weiter der zweite ringförmige Ventilsitz (26), der gleichachsig mit dem ersten Ventilsitz (24) ist, axial beweglich gehalten ist, wobei der zweite Ventilsitz (26) starr an einem Ringteil (28) ausgebildet ist, das gegen die Kraft einer Feder (30) und unter Abdichtung gegen das Gehäuse (22) axial beweglich ist, wobei das Ringteil (28) mittels der Feder (30) in Richtung des ersten Ventilsitzes (24) vorgespannt ist und in einem Zustand, in dem einer der Ventilkörper (36) dichtend an dem ersten Ventilsitz (24) anliegt, das Ringteil (28) mit dem zweiten Ventilsitz (26) mittels der Feder (30) dichtend an den anderen Ventilkörper (34) gedrückt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine, der einen Katalysator und eine den Katalysator umgehende Bypassleitung enthält, die mit einem diagnosefähigen Absperrventil absperrbar ist. Die Erfindung betrifft weiter ein diagnosefähiges Absperrventil.
Für in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine enthaltene Katalysatoren besteht aus Gründen möglichst weitgehender Abgasreinigung der Wunsch nach kleinem Durchmesser und hoher Zellenzahl. Aus Leistungsgründen, insbesondere um nicht einen zu hohen Abgasgegendruck aufzubauen, sind ein großer Durchmesser und niedrige Zellenzahl vorteilhaft.
Zur zumindest teilweisen Auflösung dieses Zielkonfliktes werden Abgasstränge, insbesondere solche mit mehreren Katalysatoren, mit einer wenigstens einen der Katalysatoren umgehenden Bypassleitung versehen, die in bestimmten Betriebszuständen mittels eines Absperrventils absperrbar ist, so dass in diesen Betriebszuständen das gesamte Abgas alle Katalysatoren durchströmt, wohingegen in anderen Betriebszuständen ein Teil des Abgases durch die Bypassleitung strömt und somit den umströmten Katalysator umgeht.
Aus der DE 25 32 838 A1 ist ein Absperrventil bekannt, mit dem verhindert werden soll, dass sich durch das Absperrventil voneinander getrennte Medien in Rohrleitungen miteinander vermischen. Dieses Absperrventil weist zwei Ventilssitze auf, die in Strömungsrichtung des bei offenem Absperrventil durch sie hindurch strömenden Mediums beabstandet sind. Weiter enthält das Absperrventil einen Ventilschaft, an dem ein Ventilteller starr und ein anderer Ventilteller gegen Kraft einer Feder beweglich angebracht sind. Durch Betätigen des Ventilschaftes sind die Ventilteller gleichzeitig in Anlage an die Ventilsitze bringbar. Der Raum zwischen den Ventilsitzen kann mit von extern und durch einen Zwischenraum zwischen dem Ventilschaft und dem an diesem beweglich geführten Ventilteller zugeleiteter Flüssigkeit gespült werden.
Aus der DE 22 62 727 A ist ein insbesondere für Gasfeuerungsanlagen verwendbares Absperrventil bekannt, das zwei Ventilsitze enthält, die in Strömungsrichtung des durch sie hindurch strömenden Mediums beabstandet sind. Weiter sind zwei konzentrisch zueinander angeordnete Ventilkörper vorgesehen, die relativ zueinander verschiebbar sind und in einer Schließstellung dichtend an jeweils einem der Ventilsitze anliegen. Zwischen den Ventilsitzen bzw. den Ventilkörpern ist ein Diagnoseraum ausgebildet, der über eine Diagnoseleitung von Außen zugänglich ist, wobei diese Diagnoseleitung bei dichtend an den Ventilsitzen anliegenden Ventilkörpern der einzige Zugang zu dem Diagnoseraum ist. Durch Beaufschlagung der Diagnoseleitung mit Unterdruck kann dann festgestellt werden, ob das Ventil zuverlässig schließt, indem beispielsweise bei gegebener Förderleistung einer Unterdruckpumpe innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums ein vorbestimmter Unterdruck erreicht wird oder ein erreichter vorbestimmter Unterdruck innerhalb eines bestimmten Zeitraums um weniger als ein vorbestimmter Wert abnimmt.
Weitere Abgasstränge und Absperrventile sind aus der EP 1 835 140 A2 , der JP H04-17714A , der DE 198 22 424 A1 , der DE 199 57 306 A1 , der US 3 344 807 A und der US 2003/0011136 A1 bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein in seinem Aufbau einfaches und sicher diagnosefähiges Absperrventil zu schaffen.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen Abgasstrang der vorbeschriebenen Art derart weiterzubilden, dass das Absperren der Bypassleitung diagnosefähig ist, das heißt mittels einer Diagnose festgestellt werden kann, ob tatsächlich das gesamte Abgas durch den bzw. die im Abgasstrang vorhandenen bzw. vorhandene Katalysator(en) strömt.
Diese Aufgabe wird mittels eines Absperrventils nach Anspruch 1 und eines Abgasstrangs gemäß dem Anspruch 4 gelöst.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abgasstrangs gerichtet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:

1 eine erste Ausführungsform eines Abgasstrangs mit Absperrventil,
2 eine zweite Ausführungsform eines Angasstrangs mit Absperrventil,
3 eine Prinzipansicht eines erfindungsgemäßen Absperrventils,
4 eine Teilansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils, und
5 eine Prinzipansicht eines weiteren Beispiels eines Absperrventils mit dessen Betätigungseinrichtung, das nicht alle beanspruchten Merkmale zeigt.

Gemäß 1 weist ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eine Abgasleitung 10 auf, in der hintereinander ein Vorkatalysator 12 und ein Hauptkatalysator 14 angeordnet sind. Parallel zum Vorkatalysator 12 ist eine Bypassleitung 16 vorgesehen, in der ein Absperrventil 18 angeordnet ist.
Zur Vermeidung von hohem Abgasgegendruck beispielsweise im Bereich hoher Leistungen der nicht dargestellten Brennkraftmaschine kann der Vorkatalysator 12 durch Öffnen des Absperrventils 18 zumindest von einem Teil der Abgase umströmt werden. In bestimmten Betriebszuständen ist jedoch erforderlich, dass das gesamte Abgas sowohl durch den Vorkatalysator 12 als auch durch den Hauptkatalysator 14 strömt. Um das sicherzustellen, muss das Absperrventil 18 diagnosefähig sein, das heißt es muss sicher feststellbar sein, ob das Absperrventil 18 dicht ist.
2 zeigt eine gegenüber 1 abgeänderte Ausführungsform eines Abgasstrangs, bei der in der Abgasleitung 10 strömungsoberhalb des Vorkatalysators 12 die Abgasturbine 20 eines Abgasturboladers angeordnet ist. Die Bypassleitung 16 umgeht sowohl die Abgasturbine 20 als auch den Vorkatalysator 12. Bei dem Abgasstrang gemäß 2 kann das Absperrventil 18 die Funktion eines Bypassventils übernehmen, dessen Öffnung eine Aufladung der nicht dargestellten Brennkraftmaschine über den mit der Abgasturbine 20 verbundenen Abgasturbolader in bestimmten Betriebszuständen vermindert.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines diagnosefähigen Absperrventils 18. An einem durch Strichlierung nur angedeuteten Gehäuse 22 ist starr ein erster ringförmiger Ventilsitz 24 ausgebildet. Der Ventilsitz 24 kann integral mit dem Gehäuse ausgebildet sein oder durch ein gesondertes Bauteil gebildet sein, das starr mit dem Gehäuse verbunden ist. Weiter ist an dem Gehäuse 22 ein zweiter ringförmiger Ventilsitz 26, der gleichachsig mit dem ersten Ventilsitz 24 ist, axial beweglich gehalten. Die Ventilsitze 24 und 26 sind in Richtung des durch sie hindurchströmenden Abgases, bzw. axial voreinander entfernt. Der zweite Ventilsitz 26 ist starr an einem vorzugsweise zylindrischen Ringteil 28 ausgebildet, das gegen Kraft einer Feder 30 und unter Abdichtung gegen das Gehäuse 22 axial beweglich ist.
Zur Betätigung des Absperrventils 18 ist ein beispielsweise mittels eines an sich bekannten Aktors in Richtung des Doppelpfeils beweglicher Ventilschaft 31 vorgesehen, der mittels einer Dichtung 32 abgedichtet durch das Gehäuse 22 hindurchgeführt ist. An dem Ventilschaft 31 sind starr zwei als Ventilteller ausgebildete Ventilkörper 34 und 36 in einem gegenseitigen Abstand befestigt, der etwa dem Abstand der Ventilsitze entspricht.
Wie unmittelbar aus 3 ersichtlich, sind die Ventilkörper 34 und 36 durch Aufwärtsbewegung des Ventilschaftes 30 gleichzeitig in dichtende Anlage an die Ventilsitze 24 und 26 bewegbar, wobei Toleranzen, Verschleiß usw. durch die gegen die Kraft der Feder 30 gegebene Verschiebbarkeit des Ringteils 28 bzw. des starr mit diesem verbundenen zweiten Ventilsitzes 26 ausgeglichen werden.
Wie aus 3 weiter ersichtlich, ist bei geschlossenem Absperrventil 18 zwischen den Ventilsitzen 24 und 26 bzw. den Ventilkörpern 34 und 36 im Gehäuse 22 ein Diagnoseraum 38 ausgebildet, der durch dichtende Anlage zwischen den Ventilkörpern und dem Ventilsitz gegenüber der Bypassleitung 16 abgedichtet ist und von dem in den Außenraum eine Diagnoseleitung 40 abgeht. Bei Unterdruckbeaufschlagung der Diagnoseleitung 40 stellt sich dieser Unterdruck auch in dem Diagnoseraum 38 ein, wenn beide Ventilkörper dichtend an den zugehörigen Ventilsitzen anliegen. Somit kann die Dichtheit des Absperrventils diagnostiziert werden, indem die Diagnoseleitung 40 mit Unterdruck beaufschlagt wird und sich bei gegebener Pumpleistung einer nicht dargestellten Unterdruckpumpe innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums ein vorbestimmter Unterdruck einstellt oder nach Erreichen eines vorbestimmten Unterdrucks dieser Unterdruck innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums nicht rascher als ein vorbestimmter Wert abfällt. Die Diagnose der Dichtheit des Absperrventils ist auch auf andere Weise möglich, indem beispielsweise in der Diagnoseleitung 40 abgesaugt wird und das abgesaugte Gas auf Bestandteile analysiert wird, die auch in dem durch die Leitung 10 strömenden Abgas enthalten sind. Alternativ kann der Diagnoseraum 38 durch die Diagnoseleitung 40 hindurch von einer Druckpumpe mit Überdruck beaufschlagt werden und die Dichtheit dadurch festgestellt werden, dass der Zeitverlauf des Aufbaus des Überdrucks und/oder dessen Spitzenwert und/oder, beispielsweise nach Absperren der Diagnoseleitung am pumpenseitigen Ende, der Abfall des Überdrucks diagnostiziert werden.
4 zeigt einen Detailschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform eines Absperrventils, wobei für funktional den Bauteilen der 3 entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.
Das Gehäuse ist dreiteilig mit einem Oberteil 28a, einem Mittelteil 28b und einem Unterteil 28c ausgebildet, die beispielsweise über Schraubbolzen miteinander verbunden sein können. Das Mittelteil 28b ist ringförmig und mit dem ersten Ventilsitz 24 ausgebildet. Das Oberteil 28a weist eine Ringnut 42 auf, an deren radial innerer Wand das Ringteil 28 geführt ist, das mit dem zweiten Ventilsitz 26 ausgebildet ist. In der Ringnut 42 ist die Feder 30 aufgenommen, die als Wellbalgfeder ausgebildet ist, so dass einerseits eine Abdichtung zwischen dem Ringteil 28 und dem Gehäuseoberteil 28a erzielt wird und andererseits das Ringteil 28 mit einer Kraft in Richtung auf das Gehäusemittelteil 28b vorgespannt ist. Das Ringteil 28, das Gehäuseoberteil 28a und das Gehäusemittelteil 28b sind derart aufeinander abgestimmt, dass das Ringteil 28 gegen die Kraft der Feder 30 nicht nur axial bewegbar ist, sonder in einem gewissen Ausmaß auch radial bewegbar ist, so dass Toleranzen bzw. Fehlausrichtungen zwischen dem Ventilkörper 34 und dem Ventilsitz 26 ausgeglichen werden können.
Im dargestellten Beispiel sind die Ventilkörper 34 und 36 einteilig mit dem Schaft derart ausgebildet, dass zwischen den an den Ventilsitzen 24 und 26 anliegenden Bereichen ein Ringraum gebildet ist, der den Diagnoseraum 38 bildet. Optional kann im Bereich des Ringraums wenigstens eine Bohrung zentral durch das Ventilglied 31, 34, 36 hindurchführen. Die Diagnoseleitung 40 geht als Bohrung von dem Gehäuseunterteil 28c im Bereich des Diagnoseraums 38 ab.
Die Funktion des Absperrventils gemäß 4 entspricht der der 3.
5 zeigt eine gegenüber den 3 und 4 abgeänderte Beispiel eines Absperrventils mit zugehöriger Betätigungseinrichtung, wobei wiederum für sich funktional entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie in 3 und 4.
Gemäß 5 ist der Ventilkörper 36, der mit dem zweiten Ventilsitz 26 zusammenarbeitet, starr mit einem Schaft 31a verbunden, der starr mit einem Kolben 44 verbunden ist, der in einer Kolben-/Zylindereinheit 46 arbeitet. Der Ventilkörper 34 ist starr mit einem hohlen Schaft 31b verbunden, durch den sich der Ventilschaft 31a hindurch erstreckt und der starr mit einem weiteren Kolben 48 verbunden ist, der in der Kolben-/Zylindereinheit 46 arbeitet. Das Gehäuse der Kolben-/Zylindereinheit 46 weist eine Trennwand 50 auf, durch die hindurch sich der innere Ventilschaft 31a erstreckt und zwischen der und dem Kolben 44 eine Druckfeder 52 angeordnet ist.
Zwischen dem Kolben 48 und einer Bodenwand des Gehäuses der Kolben-/Zylindereinheit 46 ist eine weitere Druckfeder 54 angeordnet.
An oberhalb der Kolben 44 und 48 innerhalb der Kolben-/Zylindereinheit 46 ausgebildete Arbeitskammern ist eine Druckleitung 56 angeschlossen, bei deren Druckbeaufschlagung das durch die Ventilsitze 24 und 26 und die Ventilkörper 34 und 36 gebildete Absperrventil 18 öffnet.
Dichtungen 32, 56 bzw. 58 dienen zur Abdichtung der Durchführung des hohlen Ventilschaftes 31b durch das Gehäuse 28, des inneren Ventilschaftes 31a gegen den hohlen Ventilschaft 31b bzw. die Abdichtung des Ventilschaftes 31a gegenüber der Trennwand 50.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäß 3 und 4 können bei dem Absperrventil gemäß der 5 die Ventilsitze starr mit dem Gehäuse 28 verbunden sein.
Während bei der Ausführungsform des Absperrventils gemäß 3 und 4 der Toleranzausgleich durch die Verschiebbarkeit wenigstens einer der Ventilsitze gegenüber dem Gehäuse erzielt wird und bei der Ausführungsform gemäß 5 ein Toleranz- und Verschleißausgleich durch die getrennte Betätigung der Ventilkörper 34 und 36 erfolgt, kann ein Toleranz- bzw. Verschleißausgleich auch dadurch erfolgen, dass die Ventilkörper 34 und 36 zwar gemeinsam betätigt werden, jedoch einer der Ventilkörper an dem anderen Ventilkörper verschiebbar und elastisch vorgespannt sowie unter Abdichtung gehalten ist, so dass über die relative Beweglichkeit der Ventilkörper zueinander ein Toleranz- bzw. Verschleißausgleich möglich ist.
Die vorstehend beispielhaft geschilderten Ausführungsformen können in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert und abgeändert werden, wobei jeweils wichtig ist, dass die Abdichtung von relativ zueinander beweglichen Teilen derart erfolgt, dass bei dichtender Anlage der Ventilkörper an den Ventilsitzen der Diagnoseraum 38 nicht vom Inneren der Bypassleitung 16 aus zugänglich ist, sondern nur durch die nach außen führenden Diagnoseleitung 40 hindurch.
Bezugszeichenliste

10: Abgasleitung
12: Vorkatalysator
14: Hauptkatalysator
16: Bypassleitung
18: Absperrventil
20: Abgasturbine
22: Gehäuse
24: erster Ventilsitz
26: zweiter Ventilsitz
28: Ringteil
30: Feder
31: Ventil schaft
32: Dichtung
34: Ventilkörper
36: Ventilkörper
38: Diagnoseraum
40: Diagnoseleitung
42: Ringnut
44: Kolben
46: Kolben-/Zylindereinheit
48: Kolben
50: Trennwand
52: Druckfeder
54: Druckfeder
56: Dichtung
58: Dichtung

Claims

Absperrventil zur Verwendung in einem Abgasstrang, enthaltend ein Gehäuse, einem ersten ringförmigen Ventilsitz (24) und einem zweiten ringförmigen Ventilsitz (26), die in Strömungsrichtung beabstandet sind, eine zum Absperren bzw. Öffnen des Absperrventils betätigbare Ventilgliedbaugruppe (31, 34, 36) mit zwei Ventilkörpern (34, 36), die bei abgesperrtem Absperrventil an je einem der Ventilsitze (24, 26) anliegen, und einen zwischen den Ventilsitzen (24, 26) und/oder Ventilkörpern (34, 36) ausgebildeten Diagnoseraum (38), der bei geschlossenem Absperrventil und dichtend an den Ventilsitzen (24, 26) anliegenden Ventilkörpern (34, 36) nur über eine Diagnoseleitung (40) zugänglich ist, wobei die Ventilkörper (34, 36) starr mit einem Ventilschaft (31) verbunden sind, an dem Gehäuse starr der erster ringförmiger Ventilsitz (24) ausgebildet ist, der integral mit dem Gehäuse oder durch ein gesondertes Bauteil, das starr mit dem Gehäuse verbunden ist, ausgebildet ist, an dem Gehäuse weiter der zweite ringförmige Ventilsitz (26), der gleichachsig mit dem ersten Ventilsitz (24) ist, axial beweglich gehalten ist, wobei der zweite Ventilsitz (26) starr an einem Ringteil (28) ausgebildet ist, das gegen die Kraft einer Feder (30) und unter Abdichtung gegen das Gehäuse (22) axial beweglich ist, wobei das Ringteil (28) mittels der Feder (30) in Richtung des ersten Ventilsitzes (24) vorgespannt ist und in einem Zustand, in dem einer der Ventilkörper (36) dichtend an dem ersten Ventilsitz (24) anliegt, das Ringteil (28) mit dem zweiten Ventilsitz (26) mittels der Feder (30) dichtend an den anderen Ventilkörper (34) gedrückt wird.
Absperrventil nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse mindestens aus einem Oberteil (28a) und einem Mittelteil (28b), die starr miteinander verbunden sind, ausgebildet ist, das Mittelteil (28b) ringförmig und mit dem ersten Ventilsitz (24) ausgebildet ist, das Oberteil (28a) eine Ringnut (42) aufweist, an deren radial innerer Wand das Ringteil (28) geführt ist, das mit dem zweiten Ventilsitz (26) ausgebildet ist, in der Ringnut (42) die Feder, die als Wellbalgfeder ausgebildet ist, aufgenommen ist, so dass einerseits eine Abdichtung zwischen dem Ringteil (28) und dem Gehäuseoberteil (28a) erzielt wird und andererseits das Ringteil (28) mittels der Feder in Richtung auf das Gehäusemittelteil (28b) vorgespannt ist.
Absperrventil nach Anspruch 2, bei dem das Ringteil (28), das Gehäuseoberteil (28a) und das Gehäusemittelteil (28b) derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Ringteil (28) nicht nur axial bewegbar gegen die Kraft der Feder (30) ist, sondern zum Ausgleich von Toleranzen und Fehlausrichtungen zwischen dem Ventilkörper (34) und dem Ventilsitz (26) in einem gewissen Ausmaß auch radial bewegbar ist.
Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine, welcher Abgasstrang einen Katalysator (12, 14) und eine den Katalysator umgehende Bypassleitung (16) enthält, und wobei die umgehende Bypassleitung (16) ein Absperrventil (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthält und mit diesem absperrbar ist.
Abgasstrang nach Anspruch 4, enthaltend einen Vorkatalysator (12) und einen Hauptkatalysator (14), wobei die das Absperrventil (18) enthaltende Bypassleitung (16) den Vorkatalysator umgeht.
Abgasstrang nach Anspruch 5, wobei strömungsoberhalb des Vorkatalysators (12) die Abgasturbine eines Abgasturboladers (20) angeordnet ist und die Bypassleitung (16) die Abgasturbine und den Vorkatalysator umgeht.