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Die Erfindung betrifft ein Ventil, mit einem Gehäuse und einer Klappe. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor, mit einem Wärmetauscher, einem Bypass und einem solchen Ventil sowie ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem solchen Abgasstrang.
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Ventile für einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors sind bekannt.
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Um stetig strenger werdende CO2-Emissionsvorschriften zu erfüllen und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, ist es vor allem bei Nutzfahrzeugen ein Ziel, das heiße Abgas des Verbrennungsmotors mittels Wärmerückgewinnungssystemen zur Energierückgewinnung zu nutzen. Diese Systeme sind üblicherweise mit einem Wärmetauscher ausgestattet, in dem ein Arbeitsmedium zur Stromerzeugung verdampft wird. Das Arbeitsmedium ist empfindlich gegenüber hohen Temperaturen unter Volllast, so dass ein alternativer Abgasweg, auch Bypass genannt, erforderlich ist, um das Wärmerückgewinnungssystem zu umgehen und die Abgase direkt in die Umgebung zu leiten. Ferner steigt der durch den Wärmetauscher verursachte Gegendruck unter Volllast deutlich an, weshalb der Bypass zusätzlich zur Senkung des Gegendrucks benötigt wird.
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Um zwischen dem Abgasweg durch den Wärmetauscher und dem Bypass zu wechseln, ist ein Ventil erforderlich, das üblicherweise eine Klappe zum Schließen und Öffnen der Abgaswege aufweist. Eine weitere Anforderung an das Ventil ist, dass die Klappe in stabile Zwischenpositionen verstellbar ist, um das Abgas des Verbrennungsmotors mit verschiedenen Anteilen durch die unterschiedlichen Abgaswege des Abgasstrangs zu leiten und auf diese Weise zu verhindern, dass die maximale Kühlmitteltemperatur des Fahrzeugkühlkreislaufs überschritten wird.
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Ein bekanntes Problem hierbei ist, dass der Bypass üblicherweise direkt in die Umgebung mündet, während der Abgasweg zur Wärmerückgewinnung durch den Wärmetauscher führt und dieser einen hohen Gegendruck erzeugt. Dieses Ungleichgewicht im Gegendruck zwischen den beiden Abgaswegen führt dazu, dass Abgas vom Bypass angesaugt wird, wodurch es zu Schwierigkeiten bei der Steuerung der Klappe und des Massenstroms des Abgases kommt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil bereitzustellen, das auch dann eine zuverlässige Aufteilung des Massenstroms gewährleistet, wenn an den Auslässen des Ventils unterschiedliche Gegendrucke anliegen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Ventil mit einem Gehäuse und einer Klappe vorgesehen. Das Gehäuse hat eine Kammer mit einem Einlass, einem ersten Auslass, der zum Wärmetauscher führt, und einem zweiten Auslass, der zum Bypass führt. Die Klappe ist dabei um eine Drehachse in der Kammer drehbar gelagert und zwischen einer ersten Position, in der der Einlass strömungsmäßig mit dem ersten Auslass verbunden ist und der zweite Auslass verschlossen ist, einer zweiten Position, in der der Einlass strömungsmäßig mit dem zweiten Auslass verbunden ist und der erste Auslass verschlossen ist, und einer dritten, lagestabilen Position verstellbar, in der der Einlass strömungsmäßig mit dem ersten Auslass und dem zweiten Auslass verbunden ist. Die Klappe hat einen Befestigungsabschnitt, durch den die Drehachse verläuft, und einen den ersten Auslass und den zweiten Auslass schließenden Deckel mit einer ersten Seite und einer entgegengesetzt angeordneten zweiten Seite. Die Drehachse erstreckt sich durch die Kammer zwischen dem ersten Auslass und dem zweiten Auslass und ist seitlich des Deckels angeordnet. Hierbei ist vorgesehen, dass in der ersten Position die zweite Seite des Deckels den zweiten Auslass abdeckt und in der zweiten Position die erste Seite des Deckels den ersten Auslass abdeckt. Ferner weist die Klappe einen Fortsatz auf, der sich auf der zweiten Seite vom Deckel weg erstreckt und der in der ersten Position der Klappe in den zweiten Auslass hineinragt.
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Diese Gestaltung des Ventils führt dazu, dass der Fortsatz den zweiten Auslass abschnittsweise versperrt, wenn die Klappe aus der ersten Position heraus bewegt wird und der Deckel den zweiten Auslass öffnet. Somit verringert der Fortsatz beim Öffnen des zweiten Auslasses den Querschnitt, durch den Abgas durch den zweiten Auslass strömen kann. Mit anderen Worten, anstatt den zweiten Auslass zum Bypass direkt durch Anheben des Deckels zu öffnen und den vollen Querschnitt des zweiten Auslasses für den Durchfluss zur Verfügung zu haben, besteht die Rolle des Fortsatzes darin, den verfügbaren Querschnitt des zweiten Auslasses für das Abgas, das in den Bypass strömt, mit zunehmendem Öffnungswinkel der Klappe zu vergrößern. Im Unterschied zu einer Klappe ohne den Fortsatz, bei der der durchströmbare Querschnitt des zweiten Auslasses bei allen zumindest teilweise geöffneten Klappenpositionen konstant ist, ändert sich bei der Klappe mit einem Fortsatz der durchströmbare Querschnitt des zweiten Auslasses mit dem Öffnen der Klappe, da sich der Anteil des Querschnitts des zweiten Auslasses, durch den sich der Fortsatz erstreckt, mit dem Öffnungswinkel der Klappe verändert.
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Der Querschnitt des zweiten Auslasses entspricht hierbei insbesondere der Querschnittsfläche der Öffnung, die durch den zweiten Auslass gebildet ist, und nicht der Fläche der Öffnung, die sich zwischen der Klappe und dem zweiten Auslass bildet, wenn die Klappe aus der ersten Position in eine Position verstellt wird, in der der zweite Auslass geöffnet ist.
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Somit liegt der Kern der Erfindung darin, den im Vergleich zum ersten Auslass geringen Gegendruck des Bypasses durch den Fortsatz im zweiten Auslass zu erhöhen, wenn die Klappe sich aus der ersten Position heraus bewegt und somit den zweiten Auslass öffnet. Hierdurch verringert sich die Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Auslass und damit der Ansaugeffekt am zweiten Auslass, der die akkurate Steuerung der Klappe beeinträchtigt.
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Auf diese Weise kann mittels des Fortsatzes der Ansaugeffekt vermindert werden, wodurch sich die Steuerbarkeit des Ventils verbessert sowie der Massenstrom zuverlässig und genau einstellbar zwischen den beiden Auslässen aufgeteilt werden kann.
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Das Ventil ist hierbei ein Ventil mit mindestens drei Anschlüssen oder Wegen, die durch den Einlass, den ersten Auslass und den zweiten Auslass gebildet werden und/oder mit diesen strömungsmäßig entsprechend verbunden sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Ventil ein 3-Wege Ventil, insbesondere ein T-förmiges 3-Wege Ventil.
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Hierbei kann bei dem T-förmigen 3-Wege Ventil ein Auslass gegenüberliegend, insbesondere unter 180°, zum Einlass angeordnet sein und der andere Auslass seitlich, insbesondere unter 90°, zum Einlass angeordnet sein.
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Dabei bilden das Gehäuse oder an das Gehäuse angrenzende Kanalabschnitte einen Kanal in Form eines T.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Winkel des 3-Wege Ventils zwischen dem Einlass und einem der Auslässe sowie zwischen den beiden Auslässen jeweils zwischen 60° und 120° betragen, d. h. das 3-Wege Ventil ist nicht auf Formen mit rechtwinkeligen Abzweigungen beschränkt und kann beispielswiese auch die Form eines Y aufweisen.
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Das Ventil ist insbesondere für einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors vorgesehen und entsprechend hitzebeständig ausgebildet.
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Es ist von Vorteil, wenn die erste Seite des Deckels eben gestaltet ist. Dadurch steht von der ersten Seite des Deckels kein Fortsatz und/oder Vorsprung hervor, sodass der durch die Klappe gebildete Strömungswiderstand minimiert wird, insbesondere in der ersten Position der Klappe, in der die zweite Seite des Deckels den zweiten Auslass abdeckt und die erste Seite des Deckels insbesondere vollständig der Strömung durch das Ventil ausgesetzt ist.
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In einer Ausführungsform hat der Deckel eine parallel zur Drehachse verlaufende virtuelle Mittelachse, die den Deckel in eine proximale Hälfte, die zwischen der Mittelachse und der Drehachse angeordnet ist, und eine distale Hälfte teilt, die sich entgegengesetzt zur proximalen Hälfte von der Mittelachse weg erstreckt. Der Fortsatz ist hierbei zumindest abschnittsweise in der distalen Hälfte angeordnet, sodass sich in der ersten Position der Klappe der Fortsatz durch den Teil des Querschnitts des zweiten Auslasses erstreckt, der im Vergleich zu einem anderen Teil des Querschnitts von der Drehachse weiter entfernt ist. Da der weiter von der Drehachse entfernte Teil des Querschnitts des zweiten Auslasses bei kleinen Öffnungswinkeln der Klappe relativ zur ersten Position stärker durchströmt wird als der näher zur Drehachse angeordnete Teil des Querschnitts des zweiten Auslasses, hat der Fortsatz durch diese Gestaltung einen besonders positiven Einfluss auf das Steuerverhalten der Klappe sowie auf die Einstellung des Massenstroms.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Fortsatz, insbesondere die dem Gehäuse in der ersten Position gegenüberliegende Außenseite des Fortsatzes, zumindest abschnittsweise komplementär zum Querschnitt des zweiten Auslasses gestaltet. Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass der Strömungsverlauf bei kleinen Öffnungswinkeln der Klappe relativ zur ersten Position besonders günstig ist, so dass die Massenströme durch das Ventil besonders genau steuerbar sind.
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Vorzugsweise ist der Abschnitt des Fortsatzes, der auf der distalen Hälfte angeordnet ist, zumindest abschnittsweise komplementär zum Querschnitt des zweiten Auslasses gestaltet. Hierdurch kann der Fortsatz den zweiten Auslass effektiv abschirmen.
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Der Fortsatz kann C-förmig gestaltet sein. Diese Gestaltung des Fortsatzes führt zu einem besonders günstigen Strömungsverlauf, insbesondere bei einem zweiten Auslass mit einem runden oder kreisförmigen Querschnitt.
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Ferner kann der Fortsatz hierbei so ausgebildet sein, dass das C zur Drehachse hin geöffnet ist, wodurch sich der Bogen des „C“ entfernt von der Drehachse erstreckt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Fortsatzes senkrecht zum Deckel an einer Stelle des Fortsatzes maximal ist, die den größten Abstand zur Drehachse hat. Hierdurch ist der Effekt des Fortsatzes auf das Strömungsverhalten durch den zweiten Auslass besonders günstig.
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Dabei kann die Höhe des Fortsatzes mit sich verringerndem Abstand zur Drehachse abnehmen, insbesondere stetig, wodurch der Effekt des Fortsatzes mit zunehmendem Öffnungswinkel der Klappe relativ zur ersten Position abnimmt.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor, mit einem Wärmetauscher, einem Bypass und einem erfindungsgemäßen Ventil vorgesehen. Das Ventil ist dabei dazu eingerichtet, über den ersten Auslass Abgas durch den Wärmetauscher zu leiten und über den zweiten Auslass Abgas durch den Bypass am Wärmetauscher vorbei, d. h. nicht durch den Wärmetauscher, zu leiten. Auf diese Weise kann der Massenstrom des Abgases zuverlässig zwischen dem Abgasweg mit dem Wärmetauscher und dem Bypass aufgeteilt werden, auch wenn am ersten und am zweiten Auslass unterschiedliche Gegendrücke anliegen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Ventil so ausgebildet, dass bei einem Abgasstrom mit einer Temperatur von 400 °C und einem Massenstrom von 1200kg/h mit einem Klappenhub von mindestens 13°, vorzugsweise mindestens 15°, 60% bis 100 % des Volumenstroms durch den Wärmetauscher geleitet werden. Das bedeutet, dass für den Betriebsbereich des Ventils, in dem der Großteil des Volumenstroms des Abgases durch den Wärmetauscher geleitet wird, ein Winkelbereich von mindestens 13°, vorzugsweise mindestens 15°, der Klappe vorgesehen ist. Somit führt in diesem Betriebsbereich eine Änderung des Klappenhubs, d. h. der Winkelstellung der Klappe, um 1° im Durchschnitt zu einer Änderung des Volumenstroms von weniger als 3,1 %, insbesondere von weniger als 2,7 %, sodass der Volumenstrom bzw. der Massenstrom besonders fein und damit genau eingestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil so ausgebildet, dass bei einem Abgasstrom mit einer Temperatur von 400 °C und einem Massenstrom von 1200kg/h in einem Bereich, in dem 70 % bis 80 %, insbesondere 65 % bis 80 %, des Volumenstroms durch den Wärmetauscher geleitet werden, sich der Anteil des Volumenstroms, der durch den Wärmetauscher geleitet wird, proportional mit dem Klappenhub ändert. Das proportionale Ansteuerverhalten hat den Vorteil, dass hierdurch in diesem Betriebsbereich der Volumenstrom bzw. der Massenstrom besonders genau und zuverlässig zwischen dem Abgasweg mit dem Wärmetauscher und dem Bypass aufgeteilt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem erfindungsgemäßen Abgasstrang mit den zuvor genannten Vorteilen vorgesehen.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Abgasstrang, der ein erfindungsgemäßes Ventil aufweist,
- - 2 in einer schematischen Darstellung das Ventil aus 1 mit einem ersten und einem zweiten Auslass sowie einer Klappe in einer ersten, einer zweiten und einer dritten Position,
- - 3 in einer perspektivischen Ansicht die Klappe aus 2 gemäß einer ersten Variante,
- - 4 die Klappe aus 3 in einer Draufsicht,
- - 5 die Klappe aus 3 in einer Vorderansicht,
- - 6 bis 9 weitere Varianten der Klappe aus 2 in einer Draufsicht,
- - 10 eine weitere Variante der Klappe aus 2 in einer Draufsicht,
- - 11 die Kappe aus 10 in einer Vorderansicht,
- - 12 eine weitere Variante der Klappe aus 2 in einer Draufsicht,
- - 13 die Kappe aus 12 in einer Vorderansicht, und
- - 14 ein Diagramm, das den Anteil des durch den ersten Auslass geleiteten Volumenstroms gegenüber dem Winkel der Klappe zeigt.
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In 1 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Verbrennungsmotor 12, der zum Antrieb des Fahrzeugs 10 vorgesehen ist, und ein mit dem Verbrennungsmotor 12 gekoppelten Abgasstrang 14 gezeigt, über den Abgase des Verbrennungsmotors 12 an einen Auspuff 16 des Fahrzeugs 10 geleitet werden.
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Das Fahrzeug 10 ist ein Lastkraftwagen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Fahrzeug 10 ein beliebiges Fahrzeug sein, insbesondere ein beliebiges Nutzfahrzeug.
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Der Abgasstrang 14 weist einen Abgasweg 18 mit einem Wärmetauscher 20, einen Bypass 22 und ein Ventil 24 auf.
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Der Wärmetauscher 20 ist Teil eines Wärmerückgewinnungssystems, mittels dem ein Teil der thermischen Energie des Abgases in elektrische Energie umgewandelt wird und so dem Fahrzeug 10 zur Verfügung steht.
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Das Ventil 24 ist ein 3-Wege Ventil und, wie später erläutert, dazu ausgebildet, in einer ersten Stellung Abgas des Verbrennungsmotors 12 durch den Abgasweg 18 und damit durch den Wärmetauscher 20 zu leiten, in einer zweiten Stellung Abgas des Verbrennungsmotors 12 durch den Bypass 22 und damit am Wärmetauscher 20 vorbei zu leiten und in einer dritten Stellung Abgas des Verbrennungsmotors 12 anteilig sowohl durch den Abgasweg 18 als auch durch den Bypass 22 zu leiten.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Ventil 24 mehr als drei Anschlüsse aufweisen und beispielsweise ein 4-Wege oder 5-Wege Ventil sein.
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Der Abgasweg 18 als auch der Bypass 22 sind jeweils strömungsmäßig mit dem Auspuff 16 gekoppelt, über den das Abgas an die Umgebung abgegeben wird.
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Grundsätzlich kann das Ventil 24 an einer beliebigen Stelle und für einen beliebigen Zweck als Ventil im Fahrzeug 10 vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Ventil 24 dazu vorgesehen sein, einen SCR-Monolithen (SCR = selective catalytic reduction) oder andere Organe im Abgasstrang 14 des Fahrzeugs 10 zu umgehen.
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Das Ventil 24 (siehe 2) hat ein Gehäuse 26, eine Kammer 28, eine Klappe 30, einen Einlass 32, einen ersten Auslass 34 und einen zweiten Auslass 36.
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Die Kammer 28 ist von dem Gehäuse 26 umschlossen und über den Einlass 32 mit dem Verbrennungsmotor 12 sowie über den ersten Auslass 34 mit dem Abgasweg 18 und über den zweiten Auslass 36 mit dem Bypass 22 strömungsmäßig verbunden.
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Der Einlass 32, der erste Auslass 34 und der zweite Auslass 36 bilden hierbei jeweils eine Durchführung 63, 64 im Gehäuse 26 mit einem kreisförmigen Querschnitt.
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Selbstverständlich können in einer alternativen Ausführungsform der Einlass 32, der erste Auslass 34 und der zweite Auslass 36 einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
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Der Einlass 32, der erste Auslass 34 und der zweite Auslass 36 sind jeweils auf einer separaten Seite der quaderförmigen Kammer 28 angeordnet, so dass das Ventil 24 eine T-Form aufweist. Hierbei ist der Einlass 32 gegenüberliegend zum ersten Auslass 34 angeordnet, während der zweite Auslass 36 auf der Seite der Kammer 28 angeordnet ist, die sowohl an den Einlass 32 als auch den ersten Auslass 34 angrenzt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Kammer 28 eine beliebige Form aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können der Einlass 32, der erste Auslass 34 und der zweite Auslass 36 an beliebigen Seiten der Kammer 28 vorgesehen sein, wobei der erste Auslass 34 und der zweite Auslass 36 jedoch vorzugsweise an zu einander benachbarten Seiten der Kammer 28 angeordnet sind, damit die Klappe 30, wie nachfolgend beschrieben, sowohl den ersten Auslass 34 als auch den zweiten Auslass 36 verschließen kann.
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Die Klappe 30 ist in der Kammer 28 angeordnet und um eine Drehachse D schwenkbar am Gehäuse 26 befestigt.
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Die Drehachse D ist benachbart zum ersten Auslass 34 sowie benachbart zum zweiten Auslass 36 angeordnet und erstreckt sich somit zwischen dem ersten Auslass 34 und dem zweiten Auslass 36 durch die Kammer 28.
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Die Klappe 30 hat einen Befestigungsabschnitt 38 (siehe 3), durch den die Drehachse D verläuft, sowie einen Deckel 40, der an den Befestigungsabschnitt 38 angrenzt und sich von diesem weg erstreckt.
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Der Deckel 40 ist kreisförmig gestaltet und hat eine erste Seite 42 sowie eine entgegengesetzte zur ersten Seite 42 angeordnete zweite Seite 44.
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Grundsätzlich kann der Deckel 40 eine beliebige Form aufweisen. Es sind jedoch Formen bevorzugt, die den Querschnitten der Auslässen 34, 36 entsprechen, um eine effiziente Abdeckung der Auslässe 34, 36 sicherzustellen.
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Die erste Seite 42 des Deckels 40 ist hierbei eben gestaltet.
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Auf der zweiten Seite 44 weist die Klappe 30 einen Fortsatz 46 auf, der am Deckel 40 befestigt ist und der sich senkrecht zur zweiten Seite 44 vom Deckel 40 weg erstreckt.
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Mit Ausnahme des Fortsatzes 46 ist die zweite Seite 44 des Deckels 40 eben gestaltet.
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Der Fortsatz 46 hat eine Grundfläche (siehe 4) in Form eines Kreisringabschnitts mit einem Innenradius r, einer Dicke e, eine Länge a senkrecht zur Drehachse D sowie einer Breite b parallel zur Drehachse D.
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Hierdurch ist der Fortsatz 46 C-förmig gestaltet, wobei die Enden 48 des C zur Drehachse D hin weisen und sich der Bogen 50 des C von den Enden 48 und der Drehachse D weg erstreckt. Somit ist der C-förmige Fortsatz 46 zur Drehachse D hin geöffnet.
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An der am weitesten von der Drehachse D entfernten Stelle 52 weist der Fortsatz 46 eine Höhe h1 auf (siehe 5), die ferner die maximale Höhe des Fortsatzes 46 bildet.
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An den Enden 48 hat der Fortsatz 46 jeweils eine Höhe h2 , die kleiner als die Höhe h1 ist.
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Die Höhe des Fortsatzes 46 nimmt von der Stelle 52 zu den Enden 48 stetig sowie kontinuierlich ab.
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Die Außenseite 54 des Fortsatzes 46, die, wie später erläutert, in der ersten Position der Klappe 30 im zweiten Auslass 36 gegenüberliegend zum Gehäuse 26 angeordnet ist, ist komplementär zum Querschnitt des zweiten Auslasses 36 gestaltet. D. h., die Außenseite 54 ist komplementär zur Wand 62 der Durchführung 64 gestaltet, die durch den zweiten Auslass 36 im Gehäuse 26 gebildet ist.
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Der Fortsatz 46 ist so dimensioniert, dass er das Verstellen der Klappe 30 nicht behindert, insbesondere indem der Fortsatz 46 in keiner Position der Klappe 30 das Gehäuse 26 kontaktiert.
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Der Deckel 40 wird durch eine virtuelle Mittelachse 56, die parallel zur Drehachse D verläuft, in eine proximalen Hälfte 58 und eine distalen Hälfte 60 geteilt. Die proximalen Hälfte 58 ist im Vergleich zur distalen Hälfte 60 näher an der Drehachse D angeordnet und erstreckt sich zwischen der Drehachse D und der Mittelachse 56. Die distalen Hälfte 60 ist im Vergleich zur proximalen Hälfte 58 weiter entfernt zur Drehachse D angeordnet und erstreckt sich von der Mittelachse 56 sowie der Drehachse D weg.
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In der in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsform der Klappe 30 ist der Fortsatz 46 zu 80 % auf der distalen Hälfte 60 angeordnet.
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Grundsätzlich kann der Fortsatz 46 zu einem beliebigen Anteil auf der distalen Hälfte 60 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Fortsatz 46 jedoch zumindest abschnittsweise auf der distalen Hälfte 60 angeordnet, insbesondere zu mindestens 50 %.
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Die Klappe 30 kann ein Spritzgussteil, insbesondere aus Kunststoff, sein und ist vorzugsweise einstückig gestaltet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Klappe 30 beliebig gestaltet sein. Insbesondere kann der Fortsatz 46 in einer alternativen Ausführungsform beliebig gestaltet sein.
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Beispielsweise kann der Fortsatz 46 in einer alternativen Ausführungsform perforiert sein und/oder Durchgangslöcher aufweisen, insbesondere die sich parallel zur zweiten Seite 44 durch den Fortsatz 46 erstrecken.
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Anhand der 6 bis 13 werden nun Varianten der Klappe 30 mit alternativ gestalteten Fortsätzen 46 beschrieben. Für die Bauteile, die von der obigen Ausführungsform bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet und es wird insoweit auf die vorangegangenen Erläuterungen verwiesen.
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In der in 6 gezeigten Variante der Klappe 30 ist der Fortsatz 46 als sich parallel zur Drehachse D erstreckende lineare Struktur mit einer Breite b und einer Dicke e gestaltet.
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In der in 7 gezeigten Variante der Klappe 30 ist der Fortsatz 46 als sich senkrecht zur Drehachse D erstreckende lineare Struktur mit einer Länge a und einer Dicke e gestaltet.
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In der in 8 gezeigten Variante der Klappe 30 weist der Fortsatz 46 eine L-förmige Grundfläche mit einer Länge a, einer Breite b und einer Dicke e auf. Die Schenkel des L sind hierbei senkrecht bzw. parallel zur Drehachse D angeordnet.
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In der in 9 gezeigten Variante der Klappe 30 hat der Fortsatz 46 eine Grundfläche in Form eines geschlossenen Kreisrings mit einem Innenradius r, dessen Mittelpunkt auf der Mittelachse 56 angeordnet ist. Der Fortsatz 46 ist hierbei konzentrisch zum Deckel 40 gestaltet.
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Jeder der Fortsätze 46 der in den 6 bis 9 gezeigten Varianten der Klappe 30 hat eine, insbesondere konstante, Höhe senkrecht zur zweiten Seite 44 des Deckels 40.
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In der in den 10 und 11 gezeigten Variante der Klappe 30 ist der Fortsatz 46 als Kreiszylinder mit einem Außenradius R und einer Höhe h gestaltet, der konzentrisch zum Deckel 40 auf der Mittelachse 56 angeordnet ist.
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In der in den 12 und 13 gezeigten Variante der Klappe 30 ist der Fortsatz 46 als Halbkugel mit einem Radius R gestaltet, die konzentrisch zum Deckel 40 auf der Mittelachse 56 angeordnet ist.
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Zurückkommend auf 2, wird im Folgenden die Funktion der Klappe 30 und des Ventils 24 erläutert.
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Die Klappe 30 ist zwischen einer ersten Position (in 2 strichliniert dargestellt) und einer zweiten Position (in 2 mit durchgezogener Linie dargestellt) um die Drehachse D schwenkbar. Ferner weist die Klappe 30 eine dritte Position (in 2 gepunktet dargestellt) auf, die eine Zwischenposition zwischen der ersten Position und der zweiten Position der Klappe 30 darstellt.
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Der Winkel α, der die Winkelstellung der Klappe 30 relativ zur zweiten Position beschreibt, beträgt in der ersten Position 90° und in der zweiten Position 0°, während die dritte Position ein Winkel α zwischen 0° und 90° aufweist.
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In einer alternativen Ausführungsform, insbesondere bei der die Seiten der Kammer 28 mit den Auslässen 34, 36 nicht orthogonal zueinander stehen, können die Winkel α entsprechend andere Werte aufweisen. Beispielsweise beträgt bei einer Ausführungsform, bei der die Seiten der Kammer 28 mit den Auslässen 34, 36 einen Winkel von 120° einschließen, der Winkel α in der ersten Position 120°, in der zweiten Position 0° und in der dritten Position zwischen 0° und 120°.
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In der ersten Position verschließt die Klappe 30 den zweiten Auslass 36 vollständig. Hierbei liegt der Deckel 40 mit seiner zweiten Seite 44 am Abschnitt des Gehäuses 26 an, der den zweiten Auslass 36 umgibt, und deckt den zweiten Auslass 36 mit seiner zweiten Seite 44 zumindest abschnittsweise ab.
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Der Fortsatz 46 ist in der ersten Position der Klappe 30 entgegengesetzt zur Kammer 28 am Deckel 40 angeordnet und erstreckt sich in den zweiten Auslass 36 hinein.
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Hierbei liegt die Außenseite 54 des Fortsatzes 46 einer Wand 62 des Gehäuses 26 gegenüber, die Teil einer durch den zweiten Auslass 36 im Gehäuse 26 gebildeten Durchführung 64 ist.
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In der ersten Position ist der Einlass 32 strömungsmäßig mit dem ersten Auslass 34 jedoch nicht mit dem zweiten Auslass 36 verbunden.
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In der zweiten Position verschließt die Klappe 30 den ersten Auslass 34 vollständig. Hierbei liegt der Deckel 40 mit seiner ersten Seite 42 am Abschnitt des Gehäuses 26 an, der den ersten Auslass 34 umgibt, und deckt den ersten Auslass 34 mit seiner ersten Seite 42 zumindest abschnittsweise ab.
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Der Fortsatz 46 ist in der zweiten Position der Klappe 30 entgegengesetzt zum ersten Auslass 34 am Deckel 40 angeordnet und erstreckt sich in die Kammer 28.
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In der zweiten Position ist der Einlass 32 strömungsmäßig mit dem zweiten Auslass 36 jedoch nicht mit dem ersten Auslass 34 verbunden.
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Sowohl am ersten Auslass 34 als auch am zweiten Auslass 36 kann jeweils ein Dichtelement, wie eine Dichtlippe, vorgesehen sein, um eine zuverlässige Abdichtung der Auslässe 34, 36 durch die Klappe 30 sicherzustellen.
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In der dritten Position verschließt die Klappe 30 weder den ersten Auslass 34 noch den zweiten Auslass 36 vollständig, sodass in dieser Position der Einlass 32 sowohl mit dem ersten Auslass 34 als auch mit dem zweiten Auslass 36 strömungsmäßig verbunden ist.
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In der ersten Stellung des Ventils 24, in der das Ventil 24 Abgas (in 2 durch Pfeile dargestellt) des Verbrennungsmotors 12 durch den Abgasweg 18 leitet, befindet sich die Klappe 30 in der ersten Position. In der zweiten Stellung des Ventils 24, in der das Ventil 24 Abgas des Verbrennungsmotors 12 durch den Bypass 22 leitet, befindet sich die Klappe 30 in der zweiten Position. In der dritten Stellung des Ventils 24, in der das Ventil 24 Abgas anteilig sowohl durch den Abgasweg 18 als auch durch den Bypass 22 leitet, befindet sich die Klappe 30 in der dritten Position.
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Das Ventil 24 ist mit einer Steuerung des Fahrzeugs 10 signalübertragend gekoppelt und über einen Aktuator steuerbar.
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Der Effekt des Fortsatzes 46 auf das Strömungsverhalten des Abgases des Verbrennungsmotors 12 durch das Ventil 24 wird nachfolgend anhand des in 14 dargestellten Diagramms erläutert, das das Strömungsverhalten beispielhaft bei einem Abgasstrom mit einer Temperatur von 400 °C und einem Massenstrom von 1200 kg/h zeigt.
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Auf der Abszisse ist der Winkel α der Klappe 30 in Grad aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Anteil des Volumenstroms aufgetragen, der durch den ersten Auslass 34 strömt.
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Das Diagramm umfasst vier Kurven 70, 72, 74, 76, die das Strömungsverhalten bei unterschiedlichen Klappen 30 zeigen. Die erste Kurve 70 zeigt das Strömungsverhalten bei einer Klappe 30 ohne Fortsatz 46, das heißt, bei einer Klappe 30, bei der sowohl die erste als auch die zweite Seite 42, 44 des Deckels 40 eben gestaltet sind. Die Kurven 72, 74, 76 zeigen jeweils das Strömungsverhalten bei einer Klappe 30 mit einem Fortsatz 46 gemäß der in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsform. Hierbei zeigt jeweils die zweite Kurve 72, die dritte Kurve 74 und die vierte Kurve 76 das Strömungsverhalten bei einer Klappe 30, bei der der Fortsatz 46 eine Höhe h1 von entsprechend 10 mm, 15 mm und 20 mm hat.
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Bei einem Winkel α von 90° ist die Klappe 30 in der ersten Position und der zweite Auslass 36 ist vollständig verschlossen. Bei dieser Stellung des Ventils 24 strömt das gesamte Abgas durch den ersten Auslass 34 in den Abgasweg 18 und somit durch den Wärmetauscher 20.
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Sobald der Winkel α verringert und damit die Klappe 30 aus der ersten Position heraus bewegt wird, wird eine Verbindung zwischen der Kammer 28 und dem zweiten Auslass 36 hergestellt, wodurch ein Teil des Volumenstroms durch den zweiten Auslass 36 und damit durch den Bypass 22 strömt.
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Mit abnehmendem Winkel a, d. h. mit dem Zunehmen des Öffnungswinkels β (siehe 2) zwischen der Klappe 30 und dem zweiten Auslass 36, steigt der Anteil des Volumenstroms, der durch den zweiten Auslass 36 strömt, und der Anteil des Volumenstroms, der durch den ersten Auslass 34 strömt, sinkt entsprechend.
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Durch den höheren Gegendruck, der im Abgasweg 18 aufgrund des Wärmetauschers 20 im Vergleich zum Bypass 22 herrscht, kommt es zu einem Ansaugeffekt am zweiten Auslass 36, wodurch bei kleinen Öffnungswinkeln β ein überproportional großer Anteil des Volumenstroms durch den zweiten Auslass 36 in den Bypass 22 strömt.
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Kleine Öffnungswinkel β in diesem Sinne sind Winkel von maximal 20°, vorzugsweise maximal 15° insbesondere maximal 10°.
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Dieser Ansaugeffekt führt zu einem nichtlinearen Strömungsverhalten, das insbesondere bei einer Klappe 30 ohne Fortsatz 46 ausgeprägt ist, wie anhand der ersten Kurve 70 zu erkennen ist.
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Der Fortsatz 46 führt dazu, dass beim Öffnen des zweiten Auslasses 36 nicht sofort der vollständige Querschnitt des zweiten Auslasses 36 durchströmbar ist, da der Fortsatz 46 bei kleinen Öffnungswinkeln β in den zweiten Auslass 36 hineinragt und somit dessen Querschnitt abschnittsweise versperrt. Auf diese Weise erhöht die Klappe 30 mit dem Fortsatz 46 im Vergleich zu einer Klappe 30 ohne Fortsatz 46 den Gegendruck am zweiten Auslass 36 bzw. im Bypass 22, wodurch der Ansaugeffekt verringert wird.
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Bei einer Klappe 30 mit einem Fortsatz 46 mit einer Höhe h1 von 20 mm hat dies, wie in der vierten Kurve 76 gezeigt, zur Folge, dass sich der Bereich, in dem zwischen 100 % und 60 % des Volumenstroms durch den ersten Auslass 34 geleitet werden, auf Positionen der Klappe 30 mit Winkeln α zwischen 90° und weniger als 75° erstreckt. D. h., dass mit einem Klappenhub von über 15° der Bereich einstellbar ist, in dem 60 % bis 100 % des Volumenstroms durch den ersten Auslass 34 geleitet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Klappenhub, in dem 60 % bis 100 % des Volumenstroms durch den ersten Auslass 34 geleitet werden, beliebig groß sein und beispielsweise mindestens 13° betragen, wie dies bei der dritten Kurve 74 der Fall ist.
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Ein weiterer Effekt, den der Fortsatz 46 mit einer Höhe h1 von 20 mm auf den Strömungsverlauf hat, ist, dass sich in dem Bereich, in dem zwischen 62 % und 85 % des Volumenstroms durch den ersten Auslass 34 geleitet werden, der Anteil des Volumenstroms, der durch den ersten Auslass 34 geleitet wird, proportional mit dem Klappenhub ändert.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Bereich, in dem sich der Anteil des Volumenstroms, der durch den ersten Auslass 34 geleitet wird, proportional mit dem Klappenhub ändert, beliebig groß sein und vorzugsweise einen Bereich umfassen, in dem 70 % bis 80 %, insbesondere 65 % bis 80 %, des Volumenstroms durch den ersten Auslass 34 geleitet werden, wie dies bei der zweiten und dritten Kurve 72, 74 der Fall ist.
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Selbstverständlich ist das Ventil 24 nicht auf den Abgasstrom des Beispiels begrenzt, d. h., das Ventil 24 ist für Abgasströme mit einer beliebigen Temperatur und einem beliebigen Massenstrom vorgesehen, wobei der Effekt des Fortsatzes 46 entsprechend dem Abgasstrom variieren kann.
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Ferner ist das Ventil 24 nicht auf die Anwendung in Abgassträngen 14 begrenzt, sondern kann grundsätzlich zum Steuern beliebiger Fluidströme aus beliebigen Quellen eingesetzt werden.
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Des Weiteren kann das Ventil 24 in einer alternativen Ausführungsform dazu vorgesehen sein, das Fluid über den Bypass 22 an einem beliebigen Bauteil vorbei zu leiten, das zu einem höheren Gegendruck am ersten Auslass 34 als am zweiten Auslass 36 führt. Das bedeutet insbesondere, dass das Ventil 24 in einem Abgasstrang 14 vorgesehen sein kann, in dem kein Wärmetauscher 20 im Abgasweg 18 vorhanden ist.
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Auf diese Weise ist ein Ventil 24 bereitgestellt, das den Ansaugeffekt verringert, wenn unterschiedliche Gegendrucke an dem ersten und zweiten Auslass 34, 36 anliegen, und dadurch eine verbesserte Steuerbarkeit aufweist.
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Indem der Bereich, in dem 60 % bis 100 % des Volumenstroms durch den ersten Auslass 34 geleitet wird, auf einen großen Klappenhub, insbesondere von über 13°, ausgeweitet ist, kann auch bei kleinen Öffnungswinkeln β der Massenstrom genau einstellbar zwischen den beiden Auslässen 34, 36 aufgeteilt werden.
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Ferner stellt der große proportionale Bereich bei kleinen Öffnungswinkeln β sicher, dass das Aufteilen des Massenstroms zwischen den beiden Auslässen 34, 36 zuverlässig erfolgt.
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Hierdurch lässt sich in einem Abgasstrang 14 der Anteil des Abgases, der durch den Wärmetauscher 20 geleitet wird, zuverlässig einstellen, sodass ein Überhitzen des Wärmetauschers 20 zuverlässig verhindert und der Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungssystems verbessert werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, insbesondere der Geometrie des Ventils 24 sowie der Klappe 30.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.
