Abgasklappenvorrichtung und Verfahren zur Montage einer derartigen Abgasklappenvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse mit gegenüberliegenden Lageraufnahmen, welches einen Strömungskanal begrenzt, einem Klappenkörper mit zwei Klappenflügeln, einer Welle, auf der der Klappenkörper befestigt ist, zwei Lagern, über die die Welle in den Lageraufnahmen des Strömungsgehäuses gelagert ist, einer ersten Anschlagfläche, die am Strömungsgehäuse ausgebildet ist, zur Strömung gerichtet ist und gegen die der erste Klappenflügel in einer den Strömungskanal verschließenden Position anliegt, und einer zweiten Anschlagfläche, die am Strömungsgehäuse ausgebildet, entgegen der Strömung gerichtet ist und in axialer Richtung des Strömungskanals betrachtet entgegengesetzt zur ersten Anschlagfläche angeordnet ist und gegen die der zweite Klappenflügel in der den Strömungskanal verschließenden Position anliegt und einem Spalt zwischen der Welle und dem umgebenden Lager sowie einem Verfahren zur Montage einer Abgasklappenvorrichtung, bei dem die Lager in das Strömungsgehäuse eingesetzt werden, die Welle in die Lager geschoben wird und anschließend der Klappenkörper auf der Welle befestigt wird.

Derartige Abgasklappenvorrichtungen können in Form von Schmetterlingsventilen hergestellt und beispielsweise als Abgasrückführklappe oder Abgasstauklappe eingesetzt werden. Durch die stetig erhöhte Reduzierung der Schadstoffemissionen steigen auch die Anforderungen bezüglich der Dichtheit dieser Klappen im geschlossenen Zustand. Aus diesem Grund ist eine Vielzahl an Abgasklappenvorrichtungen bekannt geworden, bei denen im Bereich der Anschlagflächen am Gehäuse oder am Umfangsrand der Klappenkörper flexible Materialien eingesetzt werden, durch die auftretende thermische Dehnungen oder vorhandene Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden sollen. Es ist jedoch schwierig, Materialien zu finden, die in der im Abgasbereich vorhandenen aggressiven Umgebung ausreichend chemisch und thermisch belastbar sind und über eine lange Lebensdauer entsprechend ihre Flexibilität erhalten.

Um eine solche flexible Randdichtung nicht nutzen zu müssen, wird in der DE 103 16 304 AI eine exzentrisch zur Mittelachse des Strömungskanals angeordnete Klappe offenbart, deren beiden Klappenflügel unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Klappe wird über zwei Lager gelagert, von denen ein erstes Lager mit geringem Spiel zur Welle ausgeführt wird und ein zweites Lager, welches in einer Sackbohrung des Gehäuses angeordnet ist, mit deutlich größerem Wellenspiel ausgelegt wird, wobei das erste Lager jedoch eine Kippbewegung der Welle in diesem schwimmenden Lager ermöglichen soll. Hierdurch wird es möglich, dass sich der Klappenkörper an beiden Anschlägen am Gehäuse anlegt, indem die Welle insbesondere im ersten Lager axial verschoben wird. So kann zwar durch die Sicherstellung der Anlage der Klappe an den Anschlägen die Dichtigkeit verbessert werden, jedoch entsteht eine ungleichmäßige Belastung des zum Aktor weisenden Lagers, da dieses Kippbewegungen aufnehmen muss. Dies kann zu einem einseitigen Ausschlagen des Lagers führen, welches bei längerem Betrieb zu Undichtigkeiten zwischen der Welle und dem Lager führen kann.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasklappenvorrichtung sowie ein Verfahren zur Montage einer derartigen Abgasklappenvorrichtung zu schaffen, mit denen ohne die Verwendung zusätzlicher Bauteile eine hohe Dichtigkeit sowohl bezüglich der Strömung innerhalb des Kanals bei geschlossener Klappe als auch nach außen sichergestellt werden kann und bei unterschiedlichen Temperaturen aufrecht erhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage einer derartigen Abgasklappenvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 4 gelöst.

Dadurch, dass ein umlaufender Spalt zwischen den Innendurchmessern beider Lager und dem Außendurchmesser der Welle mindestens der Hälfte der Summe der Beträge von einer aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen und der zweiten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen entspricht, wird erreicht, dass die Welle mit dem Klappenkörper immer so weit gedreht werden kann, bis der Klappenkörper an beiden Anschlagflächen anliegt. Dabei erfolgt bei ungleichen Toleranzen eine geringe Verschiebung der Welle in den Lagern, welche jedoch gleichmäßig ist, so dass keine Kippbewegungen in den Lagern erfolgt, die diese schädigen könnte. So wird ein sehr dichter Verschluss des Strömungskanals über eine lange Lebensdauer sichergestellt. Beim Gießen des Strömungsgehäuses können keine beliebig kleinen Toleranzen eingehalten werden. Daher kommt es unter anderem dazu, dass die beiden Anschlagflächen zur Mittelachse der Lageraufnahmen geringfügig axial verschoben sind im Vergleich zur nominellen Lage, in der die Klappe beispielsweise in ihrer senkrechten, den Kanal verschließenden Stellung gegen beide Anschläge anliegt und die Wellenachse mit der Mittelachse der Lageraufnahmen zusammenfällt. Zusätzlich lassen sich auch Toleranzen durch auftretende thermische Dehnungen bestimmen, die ebenfalls einzurechnen sind. Unter einem umlaufenden Spalt wird diesbezüglich ein Spalt verstanden, der in gleichmäßiger Größe über den gesamten Umfang der Welle zwischen der Welle und dem Lager vorhanden wäre, wenn die Mittelachse der Lager und der Welle identisch sind. Unter nomineller Anschlagfläche wird dabei die Position verstanden, an der die Anschlagfläche im Vergleich zur Mittelachse angeordnet wäre, wenn keine Toleranzen zugelassen würden. Diese jedoch zuzulassenden Toleranzen werden nun immer dadurch ausgeglichen, dass ein Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Lager und der Welle unter der Annahme einer zentrierten Lage der Welle im Lager so ausgelegt wird, dass eine mögliche Bewegung der Welle im Lager auch bei Verschiebung der Welle im Lager erhalten bleibt. Beträgt eine erste maximal mögliche Toleranz bezüglich der axialen Verschiebung der ersten Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahme und eine zweite maximal mögliche Toleranz bezüglich der axialen Verschiebung der zweiten Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahme werden die Beträge dieser möglichen Verschiebungen addiert und durch 2 dividiert. Dieses Ergebnis wird dann für den umlaufenden Spalt zwischen Welle und Lager angenommen, denn dies entspricht der maximalen Verschiebung, wenn der eine Klappenflügel im Vergleich zur normalen Stellung früher anschlagen würde und der andere Klappenflügel erst später anschlagen würde als dies nominell der Fall ist.

Bezüglich des Verfahrens zur Montage der Klappenvorrichtung wird dadurch, dass der Klappenkörper auf der Welle befestigt wird, wenn der Klappenkörper mit seinen beiden Klappenflügeln gegen die beiden Anschlagflächen gedrückt wird, erreicht, dass ein vollständiger Verschluss des Kanals erreicht werden kann und keine Fehler bei der Montage auftreten können. Bei dieser Art der Befestigung kann es passieren, dass die Welle durch den Klappenkörper in eine zur Mittelachse der Lager axial verschobenen Position gedrückt wird, welche jedoch auch im Betrieb eingenommen werden kann. So wird eine gleichmäßige Belastung der Lager ohne Kippmomente bei gleichzeitig dichtem Verschluss des Strömungskanals durch den Klappenkörper sichergestellt. Vorzugsweise entspricht der umlaufende Spalt maximal dem 1,1-fachen der Hälfte der Summe der Beträge von der aufgrund der Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen und der zweiten nominellen Anschlagfläche zur Mittelachse der Lageraufnahmen. Hierdurch werden die Spalte, die zwischen der Welle und den Lagern auftreten können und von denen eine gegebenenfalls vorhandene Leckage nach außen abhängig ist, trotz der möglichen Verschiebung der Welle in den Lagern weitestgehend minimiert.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergibt sich, wenn die axialen Fertigungstoleranzen der Anschlagflächen zur Mittelachse der Lageraufnahmen entgegen der Strömungsrichtung größer sind als in Strömungsrichtung. Dies bedeutet, dass im Durchschnitt der Klappenkörper in seiner den Kanal verschließenden Position zur nominellen Position entgegen der Strömungsrichtung verschoben wird, wodurch der zur Strömung gerichtete Spalt zwischen den Lagern und der Welle minimiert ist. Entsprechend wird auch die Leckage nach außen zur Umgebung noch einmal deutlich reduziert.

In einer Weiterführung des Verfahrens wird beim Einschieben der Welle die Welle auch durch eine entsprechende Bohrung des Klappenkörpers geschoben. Entsprechend umgibt der Klappenkörper im Kanalinneren die Welle, wodurch der Randbereich des Klappenkörpers im Bereich der Lager den Spalt zwischen der Welle und den Lagern überdeckt. Dies reduziert zusätzlich die Leckage.

Besonders vorteilhaft ist es des Weiteren, wenn die Verbindung zwischen Welle und Klappenkörper durch Schweißen hergestellt wird, wodurch eine dauerhaltbare feste Verbindung geschaffen wird. Ein Verziehen durch die thermische Belastung beim Schweißen ist durch das Andrücken der Klappe gegen die Anschlagflächen ausgeschlossen.

Es wird somit eine Klappenvorrichtung sowie ein Verfahren zur Montage einer derartigen Klappenvorrichtung in einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche eine hohe Dichtigkeit nach außen und bei geschlossener Klappe innerhalb des Kanals aufweist. Hierzu werden weder zusätzliche Bauteile benötigt, noch entsteht eine ungleichmäßige Belastung der verwendeten Lager, die entsprechend ebenso wie die gesamte übrige Klappenvorrichtung eine lange Lebensdauer aufweisen. Auch auftretende thermische Dehnungen des Strömungsgehäuses führen nicht zu einer Erhöhung der Leckage.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Abgasklappenvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figuren nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine schematische Kopfansicht einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematische Seitenansichten der erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung aus Figur 1 in den verschiedenen möglichen Toleranzabweichungen.

Die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung besteht aus einem Strömungsgehäuse 10, in dem ein Strömungskanal 12 ausgebildet ist. Ein freier durchströmbarer Querschnitt dieses Strömungskanals 12 wird durch Drehung eines Klappenkörpers 14 im Strömungskanal 12 geregelt. Der Klappenkörper 14 ist hierzu auf einer Welle 16 befestigt, welche beidseitig zentrisch im Strömungsgehäuse 10 gelagert ist, so dass der Klappenkörper 14 durch die Welle 16 in zwei Klappenflügel 18, 20, die hier Klappenhälften sind, geteilt wird. Zur Lagerung sind am Strömungsgehäuse 10 gegenüberliegende Lageraufnahmen 22, 24 ausgebildet, in denen jeweils ein Lager 26, 28, welches insbesondere als Gleitlager ausgeführt sein kann, angeordnet ist. Das eine Ende der Welle 16 ragt durch das Lager 26 aus dem Strömungsgehäuse 10 nach außen und ist mit einem nicht dargestellten Aktor gekoppelt, über welche die Welle 16 mit dem Klappenkörper 14 im Strömungskanal 12 drehbar ist.

Im Strömungsgehäuse 10 ist an der Innenwand ein in der einen Hälfte des Strömungsquerschnitts ausgebildeter erster Absatz ausgebildet, der als erste Anschlagfläche 30 für den ersten Klappenflügel 18 dient, welche zur Strömung weist als entgegen der Strömungsrichtung gerichtet ist. In der anderen Hälfte des Strömungsquerschnitts ist an der Innenwand des Strömungsgehäuses ein weiterer Absatz ausgebildet, der als zweite Anschlagfläche 32 für den zweiten Klappenflügel 20 dient und in entgegengesetzter Richtung weist, also im Strömungsschatten angeordnet ist.

Die Lageraufnahmen 22, 24 weisen eine Mittelachse 34 auf, die einen bestimmten axialen Abstand zu den beiden Anschlagflächen 30, 32 aufweist. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und thermischen Dehnungen des Gehäuses kann es daher in bekannten Ausführungen passieren, dass beispielsweise der erste Klappenflügel 18 an seiner Anschlagfläche 30 anliegt, während der zweite Klappenflügel 20 noch beabstandet zur Anschlagfläche 32 ist. Dies führt zu unerwünschten Leckagen und verringerter Dichtigkeit bei gewünschtem Verschluss des Strömungskanals 12 durch den Klappenkörper 14.

Aus diesem Grund wird zwischen dem Außendurchmesser der Welle 16 und dem Innendurchmesser der Lager 26, 28 ein umlaufender Spalt 36 vorgesehen, der eine geringfügige axiale Verschiebung der Welle 16 zulässt. Die Größe dieses Spaltes entspricht dabei erfindungsgemäß der Hälfte der Summe der Beträge von einer aufgrund der Fertigungstoleranzen maximal möglichen axialen Verschiebung der ersten nominellen Anschlagfläche zur nominellen Mittelachse der Lageraufnahmen und der zweiten nominellen Anschlagfläche zur nominellen Mittelachse der Lageraufnahmen.

Dies wird im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 beschrieben. In der Figur 2 ist der Fall dargestellt, dass aufgrund der Fertigungstoleranzen oder durch ein Verringern der Länge durch verringerte Temperaturen, die erste Anschlagfläche 30 im Vergleich zu einer ersten nominellen Anschlagfläche 38 entsprechend ihrer Auslegung und damit auch zur Mittelachse der Lager 26, 28 entgegen der Strömungsrichtung verschoben ist und die zweite Anschlagfläche 32 im Vergleich zu einer nominellen zweiten Anschlagfläche 40 in Strömungsrichtung verschoben ist. Dabei sind die nominellen Anschlagflächen 38, 40 am Ende der gestrichelt dargestellten Klappenflügel 18, 20 in den Zeichnungen dargestellt. Bei mittig gelagerter Welle 16 fände somit eine Überdeckung der Klappenflügel 18, 20 mit den tatsächlichen Anschlagflächen 30, 32 statt. In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Verschiebung a der ersten Anschlagfläche 30 im Vergleich zur ersten nominellen Anschlagfläche 38 größer als die Verschiebung b der zweiten Anschlagfläche 32 im Vergleich zur nominellen zweiten Anschlagfläche 40. Dies bedeutet, dass sich bei Drehung der Welle 16 zunächst der zweite Klappenflügel 20 gegen die zweite Anschlagfläche 32 anlegt. Durch Weiterdrehen verschiebt sich die Welle 16 in Strömungsrichtung in den Lagern 26, 28, bis der erste Klappenflügel 18 ebenfalls gegen die erste Anschlagfläche 30 anlegt. Die daraus folgende Verschiebung c der Mittelachse der Welle 16 in den Lagern 26, 28 kann berechnet werden, indem die Verschiebung a minus Verschiebung b geteilt durch 2 gerechnet wird, wobei a und b als Beträge ohne Vorzeichen eingesetzt werden. Es wird hierbei deutlich, dass es sehr vorteilhaft ist, wenn die gewählten Toleranzen so bestimmt werden beziehungsweise die Auslegung derart erfolgt, dass eine Verschiebung der Anschlagflächen 30, 32 eher entgegen der Strömungsrichtung erfolgt beziehungsweise bei in unterschiedlicher Richtung verlaufenden Verschiebungen die Verschiebung entgegen der Strömungsrichtung größer ist, da dies auch eine Verschiebung der Welle 16 entgegen der Strömungsrichtung zur Folge hat. Dies bedeutet, dass die Welle 16 in den Lagern 26, 28 ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung verschoben wird, so dass der von der Strömung angeströmte Spalt sehr klein ist. Dies führt zu einer Verringerung der Leckage nach außen durch das Lager 26. Sind beide Verschiebungen a, b gleich groß, verbleibt die Welle 16 in ihrer zentrierten Position in den Lagern 26, 28.

In Figur 3 ist der Fall dargestellt, dass sich die erste Anschlagfläche 30 im Vergleich zur ersten nominellen Anschlagfläche 38 entsprechend ihrer Auslegung und damit auch zur Mittelachse der Lager 26, 28 in Strömungsrichtung verschoben ist und die zweite Anschlagfläche 32 im Vergleich zu einer nominellen zweiten Anschlagfläche 40 entgegen der Strömungsrichtung verschoben ist. Bei mittig gelagerter Welle befände sich somit ein Spalt zwischen den Enden der Klappenflügel 18, 20 und den tatsächlichen Anschlagflächen 30, 32. Dabei ist erneut die Verschiebung a der ersten Anschlagfläche 30 im Vergleich zur ersten nominellen Anschlagfläche 38 größer als die Verschiebung b der zweiten Anschlagfläche 32 im Vergleich zur nominellen zweiten Anschlagfläche 40. Dies bedeutet, dass sich bei Drehung der Welle 16 zunächst der zweite Klappenflügel 20 gegen die zweite Anschlagfläche 40 anlegt. Durch Weiterdrehen verschiebt sich die Welle 16 in Strömungsrichtung in den Lagern 26, 28, bis der erste Klappenflügel 18 ebenfalls gegen die erste Anschlagfläche 30 anlegt. Die daraus folgende Verschiebung c der Mittelachse der Welle 16 in den Lagern 26, 28 wird erneut berechnet, indem die Verschiebung a minus Verschiebung b geteilt durch 2 gerechnet wird, wobei a und b als Beträge ohne Vorzeichen eingesetzt werden. Im Vergleich zu Figur 2 würde hierbei die Wellenachse jedoch in Strömungsrichtung verschoben.

In Figur 4 ist nun schließlich der Fall dargestellt, bei dem beide Anschlagflächen 30, 32 im Vergleich zu den nominellen Anschlagflächen 38, 40 entgegen der Strömungsrichtung verschoben sind, wodurch am ersten Klappenflügel 18 bei mittig gelagerter Welle 16 eine Überdeckung erfolgen würde und am zweiten Klappenflügel 20 ein Spalt entstünde. Dies hat zur Folge, dass zunächst der erste Klappenflügel 18 gegen die Anschlagfläche 30 angelegt wird. Ein Weiterdrehen der Welle 16 führt unter Verschiebung der Welle 16 in den Lagern 26, 28 dazu, dass schließlich auch der zweite Klappenflügel 20 anliegt. In diesem Zustand befindet sich der kleinste Spalt erneut der Strömung zugewandt. Diese Verschiebung c der Welle 16 berechnet sich jedoch im Gegensatz zu den anderen behandelten Abweichungsfällen aus der Hälfte der Summe der Beträge der beiden einzelnen Abweichungen zwischen der jeweiligen Anschlagfläche 30, 32 im Vergleich zur jeweiligen nominellen Anschlagfläche 38, 40. Da diese Verschiebung c größer ist als die Verschiebungen in den anderen genannten Fällen, ist diese größtmögliche Verschiebung c auch bei der Auslegung des umlaufenden Spaltes 36 zugrunde zu legen. Um zusätzlich sicherzustellen, dass bei maximal möglicher Abweichung vom nominellen Zustand kein Hängenbleiben der Welle 16 in den Lagern 26, 28 erfolgt, wird dieser berechnete Maximalspalt mit 1,02 bis 1,09 oder maximal 1,1 multipliziert und die Größen des Wellenaußendurchmessers und des Lagerinnendurchmessers entsprechend ausgelegt.

Bei der Herstellung dieser Abgasklappenvorrichtung wird zunächst das Strömungsgehäuse 10 gegossen und entsprechende Bohrungen, welche als Lageraufnahmen 22, 24 dienen, gegenüberliegend an der Gehäusewand des Strömungsgehäuses 10 eingebracht. In diese Lageraufnahmen 22, 24 werden die Lager 26, 28 eingesetzt. Anschließend wird die Welle zunächst durch das Lager 26 geschoben und anschließend durch eine Bohrung des Klappenkörpers 14 geschoben, bis die Welle 16 in das Lager 28 ragt. Daraufhin wird beidseits des Klappenkörpers jeweils eine Kraft auf den Klappenkörper aufgebracht, durch welche der anzulegende Klappenflügel 18, 20 gegen seine Anschlagfläche 30, 32 gedrückt wird. In diesem Zustand wird der Klappenkörper 14 an der Welle 16 insbesondere durch Schweißen befestigt. Entsprechend kann auch der Aktor und der notwendige Drehwinkel der Welle zu den Anschlägen festgelegt werden.

Die beschriebene Abgasklappenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass unabhängig von Dehnungen des Strömungsgehäuses aufgrund von Wärmeeintrag und unabhängig von vorhandenen Toleranzen immer ein sicherer vollständiger Verschluss des Strömungskanals erreicht werden kann. So werden Leckagen minimiert. Durch die zusätzliche Vorgabe, in welcher Richtung eine Verschiebung der Welle im Lager voraussichtlich erfolgt, wird auch die Leckage nach außen verringert. Die Abgasklappenvorrichtung ist sehr einfach zu montieren und herzustellen.

Es sollte deutlich sein, dass verschiedene Klappenformen ebenso denkbar sind wie eine außermittige Wellenanordnung. Auch können verschiedene Lager verwendet werden oder die Lagerstellen anders ausgeführt werden, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.