Regelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Ansaugkanal, einem Abgasrückführkanal, der in den Ansaugkanal mündet, einem Gehäuse, in dem der Ansaugkanal und zumindest eine Mündung des Abgasrückführkanals ausgebildet sind, einer als Drehachse dienenden Welle, die im Gehäuse bezüglich des Luftstroms stromaufwärts der Mündung des Abgasrückführkanals und außerhalb des Durchströmungsquerschnitts angeordnet ist und senkrecht zu den Mittelachsen des Ansaugkanals und des Abgasrückführkanals angeordnet ist, einem Regelkörper, der exzentrisch an der Welle befestigt ist, einem ersten Kanalabschnitt, an dessen stromabwärtigen Ende ein erster Ventilsitz ausgebildet ist, gegen den der Regelkörper in einer ersten Endstellung anliegt, und dessen Außenumfang kleiner ist als der Außenumfang eines sich stromabwärtig anschließenden zweiten Kanalabschnitts und einem zweiten Ventilsitz am zweiten Kanalabschnitt, an dem der Regelkörper in einer zweiten Endstellung anliegt, in der der Regelkörper den Abgasrückführkanal verschließt.

Regelvorrichtungen werden in Verbrennungskraftmaschinen genutzt, um Abgas- oder Luftmengen zu regeln, die abgeführt oder der Verbrennung zugeführt werden sollen. Auch Kombinationen dieser Regelventile, bei denen zwei Ventilkörper über eine gemeinsame Stellvorrichtung betätigt werden, sind bekannt. Insbesondere wurden Kombinationen eines Abgasrückführventils mit einer Drosselklappe offenbart. Bei diesen Ausführungen mündet der Abgasrückführkanal unmittelbar stromabwärts der als Drosselventil dienenden Klappe in den Luftansaugkanal. Bei gewünschter Erhöhung der Abgasrückführrate wird dann mit Öffnen des Abgasrückführventils in gleichem Maße die Drosselklappe geschlossen, was eine Erhöhung des Druckgefälles im Abgasrückführkanal zur Folge hat, wodurch der Anteil des Abgases im Vergleich zur angesaugten Luftmenge erhöht wird. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise in der DE 27 03 687 AI offenbart.

Aus der DE 10 2014 114 968 AI ist ebenfalls eine Regelvorrichtung bekannt, bei der zwei parallel angeordnete Klappen über eine gemeinsame exzentrisch angeordnete Drehwelle betätigt werden, so dass mit Drehung der beiden Klappen sich die erste Klappe vom Ventilsitz des Luftansaugkanals entfernt, während sich die zweite Klappe dem Ventilsitz des Abgasrückführkanals nähert bis der Luftansaugkanal vollständig geöffnet ist und der Abgasrückführkanal vollständig verschlossen ist. Sowohl für die den Abgasrückführkanal beherrschende zweite Klappe als auch für die den Luftansaugkanal beherrschende erste Klappe sind die Ventilsitze jeweils als umlaufende Anschläge ausgebildet, gegen die die Klappen in ihrer den jeweiligen Kanal verschließenden Stellung umlaufend aufliegen. Die Drehwelle ist an einer Gehäusewand zwischen der Mündung des Abgasrückführkanals und dem Ventilsitz im Luftansaugkanal angeordnet, jedoch außerhalb des Durchströmungsquerschnitts des stromaufwärtigen Kanalabschnitts angeordnet.

Durch diese bekannten Anordnungen wird zwar eine ausreichende Regelbarkeit des Abgasstromes und des Luftstromes gewährleistet, jedoch besteht ein erhöhter Druckverlust bei der Durchströmung des Ansaugkanals sowohl in der den Ansaugkanal vollständig öffnenden Position als auch in einer den Ansaugkanal drosselnden Position. Des Weiteren entstehen bei einer Anordnung der Regelvorrichtung vor einem Verdichter Probleme bezüglich einer Kondensatbildung bei Mischung des Abgasstroms mit dem Luftstrom, welche zu Schäden am Verdichter führt. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Regelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit der die Strömungsverluste in den unterschiedlichen Stellungen des Regelkörpers möglichst gering gehalten werden, um auch die Füllung eines Verbrennungsmotors und die Anströmung eines nachfolgenden Verdichters verbessern zu können. Zusätzlich soll die Kondensatbildung im Mischgasstrom stromabwärts des Abgasrückführkanals möglichst weitgehend ausgeschlossen werden, um Schäden an einem nachfolgenden Verdichter zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch eine Regelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, dass die Form einer zum Inneren des Ansaugkanals weisenden Oberfläche des Regelkörpers in der zweiten Endstellung in einem Querschnitt senkrecht zur Mittelachse über einen Winkel von mindestens 90° einer an die Regelklappe angrenzenden Innenwandfläche des ersten Kanalabschnitts entspricht, wird der erste Kanalabschnitt über einen Umfangsabschnitt im Wesentlichen störungsfrei verlängert, wodurch Wirbel im Bereich des Abgaseinlasses oder an den Außenseiten des Regelkörpers verhindert werden, so dass eine deutliche Reduzierung der Druckverluste erreicht wird. Gleichzeitig wird die Mischung des warmen Abgasstroms mit dem kalten Luftstrom durch diese Strömungsführung verzögert, wodurch die Menge anfallenden Kondensats verringert wird, so dass ein nachfolgender Verdichter vor Schäden durch flüssiges Wasser geschützt wird.

Vorzugsweise entspricht die Form der zum Inneren des Ansaugkanals weisenden Oberfläche des Regelkörpers in der zweiten Endstellung in einem Querschnitt senkrecht zur Mittelachse über einen halben Umfang der an die Regelklappe angrenzenden Innenwandfläche des ersten Kanalabschnitts. So werden Toträume, in denen sich Wirbel bilden können, vermieden, da auf die sonst notwendige Querschnittsaufweitung für den Klappenfreilauf verzichtet werden kann. Dies bedeutet, dass der Ansaugkanal im Bereich des Regelkörpers in der den Ansaugkanal freigebenden Stellung des Regelkörpers weitestgehend störungsfrei verlängert wird, da der sich aufweitende Bereich des Gehäuses, in den der Regelkörper schwenkt, durch den Regelkörper vom durchströmten Bereich getrennt wird, der nunmehr einen geraden Verlauf aufweist. Auch in den Positionen, in denen ein Drosseln des Ansaugkanals erfolgt, wird ein weitestgehend stetiger Übergang zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem Kanalabschnitt, in dem der Regelkörper gedreht wird, erreicht, so dass auch hier die Wirbelbildung und damit einhergehende Druckverluste verringert werden, so das auch die Anströmung eines nachfolgenden Verdichters verbessert wird. Die Drosselwirkung wird ebenfalls verstärkt.

In einer weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich der Regelkörper in der zweiten Endstellung bis vor einen dritten Kanalabschnitt, dessen Innenumfang kleiner ist als der Innenumfang des zweiten Kanalabschnitts, so dass auch ein stetiger Verlauf ohne Querschnittssprünge zwischen dem zweiten und dem dritten Kanalabschnitt bei den Ansaugkanal freigebendem Regelkörper hergestellt werden kann. So kann auch in diesem Bereich der Druckverlust gering gehalten werden.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der erste Ventilsitz durch ein axiales Ende eines ersten Gehäuseteils des Gehäuses gebildet, welches den ersten Kanalabschnitt ausbildet und in ein zweites Gehäuseteil des Gehäuses ragt, welches zumindest den zweiten Kanalabschnitt bildet. Auf diese Weise kann der Ventilsitz auf einfache Weise vor dem Zusammenbau bearbeitet werden. Zusätzlich ist eine vollflächige Auflage des Regelkörpers auf dem ersten Ventilsitz zum Verschließen des Ansaugkanals einfach herzustellen, da das erste Gehäuseteil in das zweite hineinragt und somit eine axiale Anlagefläche zur Verfügung stellt, welche einen dichten Verschluss ermöglicht. In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist das erste Gehäuseteil über einen Flansch mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden. Dies ermöglicht eine einfache Montage bei gleichzeitig hoher Dichtigkeit zwischen den Gehäuseteilen.

Vorzugsweise liegt der Regelkörper in seiner ersten Endstellung vollständig umlaufend gegen den ersten Ventilsitz am Ende des ersten Gehäuseteils an. Dies ermöglicht einen dichten Verschluss des Ansaugkanals durch die axiale Anlage. Hierdurch wirkt auch eine große Schließkraft des Regelkörpers auf den Ventilsitz, da die in Axialrichtung wirkende Komponente der durch das aufgebrachte Drehmoment resultierenden Kraft groß ist. Somit können kleinere Aktoren verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Mittelachse des ersten Kanalabschnitts parallel zu der Mittelachse des dritten Kanalabschnitts. So kann eine Strömungsführung ohne Absätze und Umlenkungen hergestellt werden, wodurch der Strömungswiderstand gering gehalten wird.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine durch den ersten Ventilsitz aufgespannte erste Ebene in einem Winkel von 75° bis 80° zu einer durch den zweiten Ventilsitz aufgespannten zweiten Ebene angeordnet ist. Hierdurch wird der Stellbereich, in welchem lediglich geringe Volumenstromänderungen der beiden Gasströme bei relativ großen vorhandenen Stellwinkeln gering gehalten, was die Regelbarkeit deutlich verbessert.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform schließt die erste Ebene einen spitzen Winkel zu einer Ebene, welche senkrecht zur Mittelachse des Ansaugkanals angeordnet ist, ein und die zweite Ebene einen spitzen Winkel zu einer Ebene, welche senkrecht zur Mittelachse des Abgasrückführkanals angeordnet ist, ein. Entsprechend sind die Ventilsitzflächen im Vergleich zu den Kanalmittelachsen zueinander geneigt, wodurch die Verstellwege kurz sind und eine schnelle Regelung ermöglichen.

Vorzugsweise weist der Regelkörper ein erstes Klappenteil, an dem die Oberfläche ausgebildet ist, auf, welches in der ersten Endstellung gegen den ersten Ventilsitz anliegt und ein zweites Klappenteil auf, welches in der zweiten Endstellung gegen den zweiten Ventilsitz anliegt, wobei die beiden Klappenteile über ein Zwischenelement mit der Welle verbunden sind. Das zweite Klappenteil besteht beispielsweise aus einer in einer Bohrung des Zwischenelementes kippbeweglich aufgenommenen Halteachse und einem daran befestigten flachen Klappenkörper. Dies vereinfacht die Herstellung des Regelkörpers.

Es wird somit eine Regelvorrichtung geschaffen, mit der sowohl der Luftmassenstrom im Ansaugkanal als auch der Abgasmassenstrom des Abgasrückführkanals über einen großen Stellwinkelbereich schnell und genau regelbar ist, wobei vorhandene Druckverluste minimiert werden, indem Strömungshindernisse vermieden werden und Toträume, in denen sich unerwünschte Wirbel bilden könnten reduziert werden. Stattdessen wird eine weitestgehend gleichmäßige Strömung ohne Querschnittssprünge erzeugt. Durch die reduzierte Wirbelbildung wird auch die Anströmung eines nachfolgenden Verdichters verbessert und eine Schädigung des Verdichters verhindert, indem die Mengen anfallenden Kondensats durch bessere Separation des Abgasstroms vom Luftstrom verringert werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung mit einem Regelkörper in einer ersten Endstellung in geschnittener Darstellung.

Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung aus Figur 1 mit einem Regelkörper in einer zweiten Endstellung in geschnittener Darstellung.

Die Figur 3 zeigt eine Kopfansicht der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung aus Figur 2 mit einem Regelkörper in der zweiten Endstellung in geschnittener Darstellung.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung besteht aus einem Gehäuse 10, welches einen Ansaugkanal 12 begrenzt und in dem eine Mündung 14 eines Abgasrückführkanals 16 ausgebildet ist. Der Ansaugkanal 12 verläuft im Wesentlichen in gerader Richtung, während der Abgasrückführkanal 16 senkrecht zum Ansaugkanal 12 in diesen mündet.

Das Gehäuse 10 besteht aus einem ersten, im Wesentlichen rohrförmig ausgebildeten Gehäuseteil 18, welches einen ersten Kanalabschnitt 19 bildet und dessen stromabwärtiges Ende schräg ausgebildet ist und einen Winkel a von etwa 75° zu einer Mittelachse 20 des Gehäuseteils 18 einschließt. Das stromabwärtige Ende des ersten Gehäuseteils 18 ist im Innern eines zweiten Gehäuseteils 22 angeordnet, beziehungsweise wird in das zweite Gehäuseteil 22 bis zur Anlage eines Flansches 24 eingeschoben, über den das erste Gehäuseteil 18 mittels Schrauben 26 am zweiten Gehäuseteil 22 befestigt ist. Das zweite Gehäuseteil 22 bildet einen zweiten Kanalabschnitt 28, in dem eine Öffnung 30 ausgebildet ist, welche in Strömungsrichtung in kurzem Abstand hinter dem schrägen Ende des ersten Gehäuseteils 18 angeordnet ist und welches als Aufnahme für ein drittes Gehäuseteil 32 dient, welches die Mündung 14 des Abgasrückführkanals 16 bildet, dessen Mittelachse 34 senkrecht zur Mittelachse 20 des Ansaugkanals 12 angeordnet ist.

Im Gehäuse 10 ist eine Welle 36 drehbar angeordnet, die über einen nicht sichtbaren Aktor betätigt werden kann. Die Drehachse 38 dieser Welle 36 ist senkrecht zu den Mittelachsen 20, 34 angeordnet und befindet sich zwischen der zur Welle 36 stromabwärtigen Mündung 14 des Abgasrückführkanals 16 und dem axialen Ende des ersten Gehäuseteils 18 und unmittelbar stromabwärts des ersten Gehäuseteils 18. Der Gesamtquerschnitt des ersten Gehäuseteils 18 ist kleiner als der des zweiten Gehäuseteils 22 des Ansaugkanals 12, wobei das erste Gehäuseteil 18 derart am zweiten Gehäuseteil 22 befestigt ist, dass eine im Bereich der Mündung 14 des Abgasrückführkanals 16 ausgebildete Ausnehmung 40 außerhalb des Durchströmungsquerschnitts angeordnet ist, in der die Welle 36 das zweite Gehäuseteil 22 durchdringend angeordnet ist.

An dieser exzentrisch im Ansaugkanal 12 angeordneten Welle 36 ist ein Regelkörper 42 befestigt, der innerhalb des zweiten Kanalabschnitts 28 drehbar angeordnet ist und aus einem ersten Klappenteil 44 sowie einem zweiten Klappenteil 45 besteht, welches eine Halteachse 46 und einen daran kippbeweglich befestigten Klappenkörper 48 aufweist, wobei die Halteachse 46 in einer Bohrung eines Zwischenelementes 49 kippbeweglich befestigt ist. Das Zwischenelement 49 ist entweder mit dem ersten Klappenteil 44 einstückig hergestellt oder mit diesem verbunden und weist eine Verbindung zur Welle 36 auf. Bei Drehung der Welle 36 wird somit der erste Klappenteil 44 in einer ersten Endstellung gegen das Ende des ersten Gehäuseteils 18 gedreht, welches entsprechend als erster Ventilsitz 50 dient, während bei Drehung in entgegengesetzter Richtung der Klappenkörper 48 in einer zweiten Endstellung gegen ein Ende der Mündung 14 des Abgasrückführkanals 16 gedreht wird, welches als zweiter Ventilsitz 52 dient. Entsprechend wird bei Drehung der Welle 36 in dem Maße in dem der erste Klappenteil 44 den Ansaugkanal 12 freigibt, der Abgasrückführkanal 16 durch den Klappenkörper 48 geschlossen und umgekehrt. Die kippbewegliche Befestigung des zweiten Klappenteils 45 führt bei dieser Drehbewegung der Welle 36 in eine zweite Endstellung, in der der Klappenkörper 48 auf dem zweiten Ventilsitz 52 aufliegt, dazu, dass ein vollständiger dichter Verschluss des Abgasrückführkanals 16 erfolgt, da der Klappenkörper 48 seine Stellung durch die mögliche Kippbewegung an die Lage des zweiten Ventilsitzes 52 anpassen kann, auch wenn dieser nicht vollständig in der Flucht zur Drehachse 38 liegt.

In der in Figur 2 dargestellten zweiten Endstellung des Regelkörpers 42 liegt der Klappenkörper 48 auf dem Ventilsitz 52 des Abgasrückführkanals 16 auf, während der erste Klappenteil 44 den Ansaugkanal 12 vollständig freigibt. In dieser Position wird der erste Kanalabschnitt 19 etwa über seinen halben näher zum Abgasrückführkanal 16 weisenden Umfang durch eine entsprechend geformte Oberfläche 54 des Regelkörpers 42 verlängert, was besonders in der Figur 3 gut zu erkennen ist. Dies bedeutet, dass in einem Querschnitt zur Mittelachse 20 des ersten Gehäuseteils 18 im Bereich des Regelkörpers 42 die Form der zur Mittelachse 20 weisenden Oberfläche 54 des Regelkörpers 42 über einen definierten Umfangsabschnitt der Form einer Innenwandfläche 56 des ersten Gehäuseteils 18, welche an den Regelkörper 42 grenzt, entspricht. Dies hat zur Folge, dass der einströmende Luftstrom weitestgehend ohne Strömungshindernisse vom ersten Kanalabschnitt 19 in den zweiten Kanalabschnitt 28 strömen kann. Da der Regelkörper 42 sich in diesem Zustand auch weitestgehend durch den zweiten Kanalabschnitt 28 hindurch bis zu einem dritten Kanalabschnitt 58 erstreckt, dessen Mittelachse 60 parallel zur Mittelachse 20 des ersten Gehäuseteils 18 verläuft und lediglich geringfügig dazu versetzt angeordnet ist und dessen Umfang im Vergleich zum zweiten Kanalabschnitt 28 wieder reduziert ist, erfolgt auch hier eine weitestgehend ungestörte Strömung entlang des Ansaugkanals 12, so dass auftretende Druckverluste minimiert werden.

Wird der Regelkörper 42 aus dieser zweiten Endstellung in seine in der Figur 1 dargestellten, ersten Endstellung gedreht, so können zunächst sowohl Abgas als auch Luft in den Ansaugkanal 12 strömen, da beide von den Ventilsitzen 50, 52 umgebende Durchströmungsquerschnitte zumindest teilweise freigegebenen sind. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen wird jedoch der Luftstrom weitestgehend turbulenzfrei weitergeleitet, da seitliche Flügel 62 des ersten Klappenteils 44 ein Umströmen des ersten Klappenteils 44, was zu erhöhter Wirbelbildung führen würde, deutlich reduziert. Stattdessen wird eine gerichtete Strömung hergestellt, durch die auch eine plötzliche Vermischung des kalten Luftstroms mit dem warmen zurückgeführten Abgasstrom deutlich verringert wird, so dass ein Kondensieren des im Abgasstrom vorhandenen Wasserdampfes reduziert wird. Hierdurch wird einerseits die Belastung eines nachfolgenden Verdichters durch kondensiertes Wasser deutlich gesenkt und andererseits die Anströmung des Verdichters deutlich verbessert, da eine gerichtete Strömung gezielt zum Verdichterrad geführt werden kann, was wiederum zu einem erhöhten Wirkungsgrad des Verdichters führt.

Um am Ende der Drehbewegung in der ersten Endstellung einen dichten Verschluss am ersten Ventilsitz 50 zu gewährleisten, ist dieser bezüglich seiner Form an die Form des ersten Klappenteils 44 angepasst, so dass dieses Klappenteil 44, wie es in Figur 1 dargestellt ist, vollständig umlaufend axial gegen den ersten Ventilsitz 50 anliegt.

Um auch in den Zwischenstellungen eine möglichst gute und schnelle Regelung erreichen zu können, ist eine Ebene 64, die durch den ersten Ventilsitz 50 aufgespannt wird, in einem Winkel von etwa 75° zu einer zweiten Ebene 66 angeordnet, die durch den zweiten Ventilsitz 52 aufgespannt wird, so dass der Gesamtdrehwinkel der Welle 36 beziehungsweise des Regelkörpers 42 zwischen den beiden Endstellungen relativ gering ist, wodurch über einen deutlich erhöhten prozentualen Drehwinkelbereich eine etwa lineare Regelung des Luftstroms und des zurückgeführten Abgasmassenstroms erreicht wird.

Zusätzlich sind diese Ebenen 64, 66 jeweils zur Welle 36 im Vergleich zu ihren Mittelachsen 20, 34 gekippt, so dass auch eine über den Umfang des Ventilsitzes gleichmäßig hohe Schließkraft erzeugt wird.

Die beschriebene Regelvorrichtung eignet sich somit zur sehr exakten Dosierung und gerichteten, weitestgehend wirbelfreien Führung eines Abgasmassenstroms und eines Luftmassenstroms zum Verbrennungsmotor. Dabei kann ein nachfolgender Verdichter gerichtet angeströmt werden, Kondensation des Wasserdampfes im Abgasstrom sowie insgesamt auftretende Druckverluste durch unerwünschte Wirbelbildung reduziert werden und somit die Leistung eines Verbrennungsmotors beziehungsweise eines nachfolgenden Verdichters verbessert werden. Zusätzlich kann das zweite Gehäuseteil verkleinert werden, da der sonst für die Klappe notwendige Freischnitt, um diese in die zweite Endstellung fahren zu können, nicht erforderlich ist.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann die Lage der Ventilsitze und deren Kippwinkel zu den Mittelachsen verändert werden oder die Lage der Kanäle zueinander geändert werden. Die Form des Klappenkörpers sollte jeweils an den vorhandenen Kanal angepasst werden so dass die Oberfläche je nach Form der Innenwandfläche rund, oval oder gegebenenfalls eckig sein kann.