DE102015111460A1 - Ventil - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Ventil mit einem einen Kanal (4) zur Führung von Gasen enthaltenden Gehäuse (2), einem nicht gasführenden Antriebsraum (10) und mit einem entlang seiner Längsrichtung verschiebbar im Gehäuse (2) gelagerten Ventilschaft (6), der sich vom Antriebsraum (10) bis in den Kanal (4) erstreckt und dessen im Antriebsraum (10) befindliches Ende (12) mit einer Antriebseinrichtung (11) koppelbar ist und an dessen anderen Ende (20) ein im Kanal (4) befindlicher Schließkörper (22) befestigt ist, welcher eine Schließstellung hat, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals (4) von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals (4) trennt, wobei zwischen dem Kanal (4) und dem Antriebsraum (10) ein den Ventilschaft (6) umgebender Dichtring (26) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ventilschaft (6) in zwei voneinander beabstandeten Lagerbuchsen (81, 82) gelagert ist, zwischen denen der Dichtring (26) angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Ventil, insbesondere einem Heißgasventil, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
- Ein Ventil der eingangs genannten Art ist in der
EP 0 856 657 A2 sowie in der nachveröffentlichtenDE 10 2013 114 058 A1 offenbart. In den bekannten Ventilen ist ein Ventilschaft entlang seiner Längsrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert. Zur Lagerung ist eine lange, durchgehende Lagerbuchse vorgesehen, in welcher der Ventilschaft gleitend gelagert ist. Aufgrund der Belastung der Lagerbuchse durch heiße Gase, insbesondere Abgase einer Brennkraftmaschine, ist die Lagerbuchse starken Belastungen durch hohe Temperaturen, Verschmutzungen, insbesondere Ruß, und korrosiven Angriffen durch aggressive Bestandteile im Abgas ausgesetzt. Bei modernen Abgasrückführventilen, insbesondere bei solchen, die für Brennkraftmaschinen geeignet sind, welche die europäische Emissionsnorm „Euro 6" erfüllen, werden deshalb Ventilschaft und Lagerbuchse aus rostfreiem Edelstahl hergestellt. Dadurch treten keine Korrosionsprobleme an der Lagerung auf. Durch die Gleitbewegung zwischen Ventilschaft und Lagerbuchse beim Öffnen und Schließen des Ventils kommt es zu relativ hohem Verschleiß an der Lagerbuchse, insbesondere dann, wenn die zur Verschiebung des Ventilschafts vorgesehene Antriebseinrichtung neben der in Längsrichtung wirkenden Stellkraft auch noch eine in radialer Richtung des Ventilschafts gerichtete Kraftkomponente auf diesen ausübt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu verbessern und seine Standzeit zu erhöhen.
- Die Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere ein Hubventil, kann insbesondere in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine bei einer Abgasrückführung eingesetzt werden und wird in diesem Fall auch als Abgasrückführventil bezeichnet. Es kann im Hochdruck-Abgasstrang von Euro-6-Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt werden, in welchem die Abgase hohe Temperaturen im Bereich von über 700°C aufweisen. Das Ventil enthält ein Gehäuse mit einem Kanal zur Führung von Gasen und einen nicht gasführenden Antriebsraum, in welchem eine Antriebseinrichtung zum Öffnen und Schließen des Ventils angeordnet sein kann. Das Ventil enthält einen Ventilschaft, welcher entlang seiner Längsrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert ist und sich vom Antriebsraum bis in den Kanal erstreckt. Der Ventilschaft ist mittels der Antriebseinrichtung translatorisch bewegbar. An dem in den Kanal ragenden Ende des Ventilschafts ist ein im Kanal befindlicher Schließkörper befestigt, welcher mit einem im Gehäuse angeordneten Ventilsitz zusammenwirken kann und eine Schließstellung hat, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals trennt. Das im Antriebsraum befindliche Ende des Ventilschafts ist mit einer Antriebseinrichtung koppelbar. Zwischen dem Kanal und dem Antriebsraum ist ein den Ventilschaft umgebender Dichtring angeordnet. Der Dichtring kann insbesondere als Wellendichtring ausgebildet sein. Der Ventilschaft ist in zwei voneinander beabstandeten Lagerbuchsen gelagert, zwischen denen der Dichtring angeordnet ist. Der Ventilschaft kann wenigstens einen kreiszylindrischen Abschnitt aufweisen, auf welchem die Lagerbuchsen angeordnet sind.
- Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Durch die Erfindung lässt sich die wirksame Lagerlänge im Innern des Ventils vergrößern, ohne dass sich die Außenabmessungen des Ventils ändern.
- • Die vergrößerte wirksame Lagerlänge führt zu wenige Verschleiß und einer längeren Einsatzfähigkeit des Ventils.
- • Dies ist insbesondere bei Abgasrückführventilen vorteilhaft, da in modernen Kraftfahrzeugen der für jede Komponente zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist und eine Vergrößerung der Außenabmessungen des Ventils nicht akzeptabel ist.
- • Die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse wird durch die zwischen ihr und dem Kanal angeordnete Dichtung sehr gut vor den im Kanal strömenden Gasen geschützt und abgeschirmt, so dass sie durch heiße und korrosive Gase nicht belastet wird.
- • Die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse kann, insbesondere wenn sie aus Edelstahl besteht, durch ein Schmierfett, insbesondere ein PTFE-haltiges Schmierfett, geschmiert werden. Durch die zwischen ihr und dem Kanal angeordnete Dichtung gelangt kein Schmierfett in die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse, wo Schmierfett nachteilig sein kann, da es dort zu vermehrter Schmutzpartikelanhaftung führen kann.
- • Die genannten Vorteile sind besonders groß, wenn die Antriebseinrichtung neben der in Längsrichtung des Ventilschafts wirkenden Stellkraft auch eine radial auf den Ventilschaft wirkende Kraftkomponente verursacht, beispielsweise wenn der Antrieb des Ventilschafts über eine Kurvenscheibe oder Kulissenführung erfolgt. Eine radiale Kraftkomponente belastet vor allem die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse in hohem Maße, welche aufgrund der Erfindung näher an der Wirkungsstelle der Radialkraft angeordnet wird. Dies führt zu einer geringeren Belastung dieser Lagerbuchse. Gleichzeitig wird durch die vergrößerte wirksame Lagerlänge auch die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse entlastet.
- In Ausgestaltung der Erfindung kann der Ventilschaft in zwei voneinander getrennten Lagerbuchsen gelagert sein, welche aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Durch die unterschiedlichen Werkstoffe der beiden Lagerbuchsen lässt sich für jede der Lagerbuchsen separat der günstigste Werkstoff auswählen, so dass der Verschleiß verringert und die Standzeit des Ventils erhöht wird. Die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse kann aus korrosionsbeständigem Edelstahl, insbesondere wärmebeständigem rostfreiem Edelstahl, beispielsweise einem Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4305, bestehen. Der Ventilschaft kann ebenfalls aus korrosionsbeständigem Edelstahl bestehen. Die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse kann aus Buntmetall, insbesondere einer Kupferbasislegierung, bestehen. Geeignet ist beispielsweise eine Kupfer-Zink-Legierung (Messing) oder eine Kupfer-Zinn-Legierung (Bronze). Nach bisheriger Auffassung musste in Heißgasventilen zur Lagerung des Ventilschafts Edelstahl als Lagerwerkstoff eingesetzt werden, damit die Lagerung den hohen Anforderungen durch hohe Temperaturen und aggressive Substanzen in über 700°C heißen Abgasen eines Verbrennungsmotors standhält. Überraschend hat es sich nun gezeigt, dass durch eine Teilung einer langen Lagerbuchse in zwei voneinander getrennte Lagerbuchsen, von denen die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse weiterhin aus einem Edelstahl besteht, es möglich wird, für die weiter vom Kanal entfernte Lagerbuchse ein Buntmetall zu verwenden, welches einen günstigen Werkstoffpartner für die Gleitlagerung des aus Edelstahl bestehenden Ventilschafts darstellt.
- In weiterer Ausgestaltung kann zwischen der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse und dem Dichtring ein freier Ringraum angeordnet sein, welcher den Ventilschaft umgibt. Der freie Ringraum kann als Schmutzsammelraum für Partikel dienen, welche in die näher am Kanal angeordnete Lagerbuchse eindringen, so dass der Schmutz nicht zu einem Klemmen des Ventilschafts in der Lagerbuchse führen kann. An die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse kann sich eine Schutzhülse anschließen, welche sich von dieser Lagerbuchse in Richtung des Schließkörpers erstreckt und den Ventilschaft mit einem Abstand umgibt. Die Schutzhülse senkt die Temperaturbelastung auf den Ventilschaft und schützt die näher am Kanal befindliche Lagerbuchse vor zu starker Verschmutzung. Die Schutzhülse kann einteilig mit der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse oder als separates Teil ausgestaltet sein. Eine getrennt von der Lagerbuchse ausgeführte Schutzhülse kann beispielsweise direkt in das Gehäuse eingepresst sein.
- Der Außendurchmesser des Dichtrings kann zumindest dem Außendurchmesser eines der beiden Lagerbuchsen, insbesondere auch dem Außendurchmesser beider Lagerbuchsen, entsprechen. Der Dichtring und die wenigstens eine Lagerbuchse mit gleichem Außendurchmesser können in eine gemeinsame zylindrische Bohrung des Gehäuses eingesetzt werden, wodurch die Herstellung des Ventils vereinfacht wird. Die gemeinsame zylindrische Bohrung kann auch als Stufenbohrung ausgebildet sein, wobei der Durchmesser der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse kleiner, insbesondere einige Zehntel Millimeter, als der Durchmesser des Dichtrings und dieser wiederum kleiner als der Durchmesser der weiter vom Kanal entfernten Lagerbuchse ausgebildet ist. Dies kann insbesondere die Montage vereinfachen. Für eine von der Lagerbuchse getrennte Schutzhülse kann ein Durchmesser vorgesehen sein, der kleiner als der Durchmesser der näher am Kanal befindlichen Lagerbuchse ist.
- Das Verhältnis von der wirksamen Lagerlänge, welche als Abstand der Außenkanten der beiden Lagerbuchsen definiert ist, zu dem Abstand zwischen einer von der Antriebseinrichtung ausgeübten Radialkraft und der weiter vom Kanal entfernten Lagerbuchse kann zwischen 1,2 und 1,8, insbesondere etwa 1,5, betragen und ist damit wesentlich größer als das entsprechende Verhältnis bei bekannten Ventilen. Hierdurch kann ein durch die Radialkraft verursachtes Kippen des Ventilschafts in den Lagerbuchsen sowie deren Verschleiß reduziert werden.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:
-
1 eine Schnittansicht durch ein bekanntes Ventil, welches durch die Erfindung verbessert wird, -
2 einen schematisch vereinfachten Ausschnitt aus dem bekannten Ventil der1 , -
3 einen dem Ausschnitt der2 entsprechenden und in gleicher Weise schematisch dargestellten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß verbesserten Ventil. - In
1 ist ein Ventil1 mit einem Gehäuse2 dargestellt, welches als Heißgas-Abgasrückführventil ausgebildet ist und einen Kanal4 zur Führung von Abgasen enthält. Das Ventil1 enthält einen Ventilschaft6 , welcher in einer im Gehäuse2 sitzenden Lagerbuchse8 entlang seiner Längsrichtung verschiebbar gelagert ist. Das Ventil1 enthält einen nicht gasführenden Antriebsraum10 , in welchem eine Antriebseinrichtung11 angeordnet ist. Der Ventilschaft6 erstreckt sich von dem Kanal4 bis in den Antriebsraum10 . Das im Antriebsraum10 befindliche Ende12 des Ventilschafts6 ist mit der Antriebseinrichtung11 gekoppelt. Die Antriebseinrichtung11 enthält eine über einen nicht dargestellten Drehantrieb drehbare Welle14 , auf welcher eine Kurvenscheibe16 drehfest angebracht ist. Am Ende12 des Ventilschafts6 ist eine frei drehbar gelagerte Rolle18 angebracht, welche mit der Kurvenscheibe16 zusammenwirkt. - An dem im Kanal
4 befindlichen Ende20 des Ventilschafts6 ist ein Schließkörper22 befestigt, welcher mit einem am Gehäuse2 ausgebildeten Ventilsitz24 zusammenwirkt und eine Schließstellung hat, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals4 von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals4 trennt. In1 ist der Schließkörper22 in seiner Schließstellung dargestellt, in welcher er am Ventilsitz24 anliegt. In der Ansicht der1 lässt sich durch eine Drehung der Welle14 im Uhrzeigersinn über die Kurvenscheibe16 und die Rolle18 der Ventilschaft6 nach unten verschieben, so dass sich der Schließkörper22 vom Ventilsitz24 abhebt und den Durchgang im Kanal4 öffnet. - Durch den Kurvenscheibenantrieb
11 des Ventilschafts6 wird auf dessen Ende12 neben der in Längsrichtung des Ventilschafts6 wirkenden Längskraft F1 auch eine quer dazu wirkende Radialkraft F2 ausgeübt, welche für die Lagerbuchse8 eine hohe Belastung ist. - Zwischen dem Kanal
4 und dem Antriebsraum10 ist ein Dichtring26 angeordnet, welcher den Ventilschaft6 umgibt und verhindert, dass Abgase aus dem Kanal4 in den Antriebsraum10 gelangen. An die Lagerbuchse8 schließt sich eine Schutzhülse28 an, welche sich von der Lagerbuchse8 in Richtung des Schließkörpers22 erstreckt und den Ventilschaft6 mit einem Abstand umgibt. Die Schutzhülse28 schirmt den Ventilschaft6 vor den heißen Abgasen ab. - In
2 ist der Ventilschaft6 aus1 und der ihn umgebende Bereich noch einmal schematisch dargestellt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die von der Kurvenscheibe16 in Längsrichtung des Ventilschafts6 auf dessen Ende12 wirkende Stellkraft zum Öffnen des Ventils ist in2 mit F1 bezeichnet. Neben der Längskraft F1 wird auch eine radial auf das Ende12 wirkende Kraftkomponente F2 von der Kurvenscheibe16 verursacht. Die Radialkraft F2 hat einen Abstand a1 von der Lagerbuchse8 und bewirkt ein Kippen des Ventilschafts6 in der Lagerbuchse8 , so dass der in2 konzentrisch zur Lagerbuchse8 dargestellte Ventilschaft6 im Betrieb nur an zwei Punkten, nämlich oben links und unten rechts, an der Lagerbuchse8 anliegt. Die Platzverhältnisse in modernen Kraftfahrzeugen sind sehr beengt, so dass sich die Länge b1 der Lagerbuchse8 nicht vergrößern lässt. Bei den bekannten Ventilen kann der Abstand a1 und die Lagerlänge b1 jeweils 25 mm betragen. Das Verhältnis von b1 zu a1 beträgt typischerweise etwa 1 oder liegt sogar darunter. Dies kann zu einem schnellen Verschleiß der Lagerbuchse8 führen, so dass ein Austausch des Ventils1 erforderlich wird. - Anhand der schematischen Darstellung der
3 , in welcher gleiche Teile wiederum mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, wird ein erfindungsgemäßes Ventil1 näher erläutert. Die schnell verschleißende Lagerbuchse8 wird durch zwei voneinander getrennte Lagerbuchsen81 und82 ersetzt. Durch den dazwischen angeordneten Dichtring26 ist die Lagerbuchse82 sehr gut vor den im Kanal4 strömenden heißen und aggressiven Abgasen geschützt. Das Gehäuse2 wird dabei nicht vergrößert. Die Lagerbuchse81 wird durch die Schutzhülse28 fortgesetzt, welche getrennt von der Lagerbuchse81 ausgebildet ist und in nicht näher dargestellter Weise in einem Press-Sitz im Gehäuse2 sitzt. Die näher am Kanal4 befindliche Lagerbuchse81 besteht weiterhin aus Edelstahl. Die weiter vom Kanal4 entfernte Lagerbuchse82 kann aus Edelstahl oder aus Messing bestehen und gegebenenfalls geschmiert sein. Ansonsten ist das erfindungsgemäße Ventil1 entsprechend der1 ausgestaltet. - Durch die Erfindung lässt sich der Abstand a2 der Radialkraft F2 von der Lagerbuchse
82 verringern, beispielsweise auf etwa 20 mm. Gleichzeitig vergrößert sich die wirksame Lagerlänge b2, welche als Abstand der Außenkanten der beiden Lagerbuchsen81 ,82 definiert ist, beispielsweise auf etwa 30 mm. Das Gesamtmaß a2 + b2 wird dabei nicht verändert und ist gleich dem Gesamtmaß a1 + b1. Das Verhältnis von b2 zu a2 beträgt zwischen 1,2 und 1,8, insbesondere etwa 1,5, und ist damit wesentlich größer als das Verhältnis von b1 zu a1. Hierdurch wird das durch die Radialkraft F2 verursachte Kippen des Ventilschafts6 in den Lagerbuchsen81 ,82 reduziert. Der in2 konzentrisch zu den Lagerbuchsen81 ,82 dargestellte Ventilschaft6 liegt im Betrieb somit nur oben links an der Lagerbuchse82 und unten rechts an der Lagerbuchse81 an. Der Abstand dieser beiden Anlagepunkte entspricht der wirksamen Lagerlänge b2, welche gegenüber der Lagerlänge b1 vergrößert ist. Bei unverändertem Lagerspiel verringert sich folglich das Kippen des Ventilschafts6 in signifikanter Weise. Es kann eine erhebliche Reduzierung der Belastung der Lagerbuchsen81 ,82 erreicht werden, ohne dass sich der benötigte Bauraum vergrößert. - Der Außendurchmesser des Dichtrings
26 kann dem Außendurchmesser der beiden Lagerbuchsen81 ,82 entsprechen, so dass alle drei Bauteile in einer durchgehenden zylindrischen Bohrung im Gehäuse2 montiert werden können. - Zwischen der Lagerbuchse
81 und dem Dichtring26 wird ein freier Ringraum30 gebildet, welcher den Ventilschaft6 umgibt und Schmutzpartikel, welche in den Lagerspalt zwischen dem Ventilschaft6 und der Lagerbuchse81 eindringen und in Richtung zum Dichtring26 wandern, aufnehmen kann, so dass ein Verklemmen des Ventilschafts6 vermieden wird. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ventil
- 2
- Gehäuse
- 4
- Kanal
- 6
- Ventilschaft
- 8
- Lagerbuchse
- 10
- Antriebsraum
- 11
- Antriebseinrichtung
- 12
- Ende des Ventilschafts
- 14
- Welle
- 16
- Kurvenscheibe
- 18
- Rolle
- 20
- Ende des Ventilschafts
- 22
- Schließkörper
- 24
- Ventilsitz
- 26
- Dichtring
- 28
- Schutzhülse
- 30
- Ringraum
- 81
- Lagerbuchse
- 82
- Lagerbuchse
- a1
- Abstand
- a2
- Abstand
- b1
- Lagerlänge
- b2
- Lagerlänge
- F1
- Längskraft
- F2
- Radialkraft
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0856657 A2 [0002]
- DE 102013114058 A1 [0002]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- europäische Emissionsnorm „Euro 6” [0002]
Claims (9)
- Ventil (
1 ) mit einem einen Kanal (4 ) zur Führung von Gasen enthaltenden Gehäuse (2 ), einem nicht gasführenden Antriebsraum (10 ) und mit einem entlang seiner Längsrichtung verschiebbar im Gehäuse (2 ) gelagerten Ventilschaft (6 ), der sich vom Antriebsraum (10 ) bis in den Kanal (4 ) erstreckt und dessen im Antriebsraum (10 ) befindliches Ende (12 ) mit einer Antriebseinrichtung (11 ) koppelbar ist und an dessen anderen Ende (20 ) ein im Kanal (4 ) befindlicher Schließkörper (22 ) befestigt ist, welcher eine Schließstellung hat, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals (4 ) von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals (4 ) trennt, wobei zwischen dem Kanal (4 ) und dem Antriebsraum (10 ) ein den Ventilschaft (6 ) umgebender Dichtring (26 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (6 ) in zwei voneinander beabstandeten Lagerbuchsen (81 ,82 ) gelagert ist, zwischen denen der Dichtring (26 ) angeordnet ist. - Ventil nach Anspruch 1, in welchem die beiden Lagerbuchsen (
81 ,82 ) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. - Ventil nach Anspruch 2, in welchem die näher am Kanal (
4 ) befindliche Lagerbuchse (81 ) aus Edelstahl besteht. - Ventil nach Anspruch 2 oder 3, in welchem die weiter vom Kanal (
4 ) entfernte Lagerbuchse (82 ) aus Buntmetall besteht. - Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der Außendurchmesser des Dichtrings (
26 ) zumindest dem Außendurchmesser einer der beiden Lagerbuchsen (81 ,82 ) entspricht. - Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem zwischen der näher am Kanal (
4 ) befindlichen Lagerbuchse (81 ) und dem Dichtring (26 ) ein freier Ringraum (30 ) angeordnet ist, welcher den Ventilschaft (6 ) umgibt. - Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der Ventilschaft (
6 ) aus Edelstahl besteht. - Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem an die näher am Kanal (
4 ) befindliche Lagerbuchse (81 ) eine Schutzhülse (28 ) anschließt, welche sich von dieser Lagerbuchse (81 ) in Richtung des Schließkörpers (22 ) erstreckt und den Ventilschaft (6 ) mit einem Abstand umgibt. - Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem das Verhältnis (b2/a2) von der wirksamen Lagerlänge (b2), welche als Abstand der Außenkanten der beiden Lagerbuchsen (
81 ,82 ) definiert ist, und dem Abstand (a2) einer von der Antriebseinrichtung (11 ) ausgeübten Radialkraft (F2) von der weiter vom Kanal (4 ) entfernten Lagerbuchse (82 ) zwischen 1,2 und 1,8 beträgt.
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