Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Kanalgehäuse, welches einen durchströmbaren Abgaskanal begrenzt, einem elektrischen Aktor mit einem Aktorgehäuse, welches beabstandet zum Kanalgehäuse am Kanalgehäuse befestigt ist, und in dem ein Elektromotor angeordnet ist, mittels dessen eine Antriebswelle antreibbar ist, die in das Kanalgehäuse ragt, und einer Abgasklappe, welche über Antriebswelle mittels des Aktors betätigbar ist und mittels deren ein Durchströmungsquerschnitt des Abgaskanals regelbar ist.

Derartige Abgasklappenanordnungen dienen beispielsweise als Abgasstauklappen im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs. Die verwendeten elektromotorischen Aktoren sind üblicherweise lediglich bei Temperaturen von bis zu 160°C einsetzbar, da andernfalls die Spulenwicklungen oder die Steuereinheiten der Elektromotoren beschädigt werden können. Da sich die Wärme des Abgasstrangs unter der Karosserie des Kraftfahrzeugs jedoch stauen kann und der Aktor zusätzlich durch Strahlungswärme vom Abgasstrang oder Konvektion über die Antriebswelle in den Aktor belastet wird, sind die benötigten geringeren Temperaturen häufig ohne zusätzliche Kühlung nicht sicherzustellen. In diesem Fall werden häufig entweder pneumatische Aktoren oder elektrische Aktoren verwendet, die an das Flüssigkeitskühlsystem der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sind. Ein direkter Kontakt des Aktors zum Kanalgehäuse wird daher häufig vermieden, so dass zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse ein Abstand ausgebildet ist, so dass ein größerer Spalt zwischen den Gehäusen ausgebildet ist, um den direkten Wärmeübergang zu reduzieren.

Eine Abgasklappenvorrichtung, die an das Flüssigkeitskühlsystem des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, um eine thermische Überlastung des Aktors zu vermeiden, ist aus der DE 10 2012 103 374 B4 bekannt. Die hierin beschriebene Abgasklappe weist sowohl im Kanalgehäuse als auch im Aktorgehäuse ausgebildete Kühlmittel durchströmte Kanäle auf. Des Weiteren ist aus der WO 2015/149990 Al eine Abgasklappenvorrichtung bekannt, bei der zwischen dem Aktorgehäuse und dem Kanalgehäuse ein Wärmeabschirmblech angeordnet ist, welches jedoch nicht ausreichend ist, um den Aktor ausreichend vor einer thermischen Überlastung zu schützen. Der Aktor ist beabstandet zum Kanalgehäuse angeordnet.

Bei den pneumatischen Aktoren ergibt sich das Problem, dass diese häufig nicht ausreichend genau geregelt werden sowie eine Unterdruckquelle zur Verfügung stehen muss und zusätzliche pneumatische Leitungen montiert werden müssen, während bei den elektrischen Aktoren der Aufbau und die Montage durch den notwendigen Anschluss an das Kühlsystem deutlich erschwert wird, so dass zusätzliche Kosten auch in der Herstellung entstehen. In beiden Ausführungen sind somit Leitungen erforderlich, welche undicht werden können, wodurch die Funktion des gesamten Kraftfahrzeugs eingeschränkt werden kann.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem direkten Antrieb ohne zwischenliegende Gestänge zur Bewegungsübertragung zur Verfügung zu stellen, durch welche eine ausreichende Kühlung des Aktors zur Vermeidung einer thermischen Überlastung des Aktors sichergestellt wird, ohne dass zusätzliche pneumatische oder Flüssigkeitsleitungen notwendig sind, so dass die Abgasklappe bei entsprechendem Spannungsanschluss autark arbeiten kann. Des Weiteren soll die Montage und der Aufbau der Abgasklappenanordnung vereinfacht und somit Kosten reduziert werden. Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass stromabwärts der Abgasklappe innerhalb des Kanalgehäuses eine Düse ausgebildet ist und am Kanalgehäuse eine Öffnung ausgebildet ist, die eine fluidische Verbindung zum engsten Querschnitt der Düse aufweist, und die stromabwärts der in das Aktorgehäuse ragenden Antriebswelle am Kanalgehäuse ausgebildet ist und in Umfangsrichtung betrachtet innerhalb einer Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse angeordnet ist, welche durch Projektion des Aktorgehäuses in Richtung der Antriebswelle auf das Kanalgehäuse entsteht, wird aus dem Außenbereich Luft entlang der Unterseite des Aktorgehäuses in den Abgaskanal gesaugt, da die Düse mit der Öffnung wie eine Saugstrahlpumpe wirkt. Durch die Verringerung des Querschnitts in der Düse, der für den Abgasstrom zur Verfügung steht, tritt das Abgas, welches als Treibmedium wirkt, mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse aus, wodurch gemäß dem Gesetz von Bernoulli ein dynamischer Druckabfall entsteht. Aus diesem Grund ist der Druck in der Strömung geringer als der Normaldruck. Unmittelbar hinter der Düse trifft der als Treibstrahl wirkende Abgasstrom auf den Luftstrom, der von außen durch die Öffnung strömt und unter Normaldruck steht. Durch innere Reibung und Turbulenzen entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Abgasstrom und dem wesentlich langsameren Luftstrom. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, so dass das Saugmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht dann nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Da die Öffnung unterhalb des Aktorgehäuses oder unmittelbar hinter dem Aktorgehäuse aber in Umfangsrichtung betrachtet in Höhe des Aktorgehäuses angeordnet ist, entsteht der Luftstrom zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse und zwar entlang der Antriebswelle der Abgasklappe, wodurch sowohl die Welle als auch das Aktorgehäuse aufgrund des kühleren Luftstroms aktiv gekühlt wird. Eine Wärmestrahlung vom heißen Abgaskanal zum Aktorgehäuse wird so deutlich reduziert, so dass eine thermische Überlastung zuverlässig vermieden wird.

Vorzugsweise ist die Öffnung in Durchströmungsrichtung des Abgaskanals betrachtet innerhalb der Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse angeordnet, welche durch Projektion des Aktorgehäuses in Richtung der Antriebswelle auf das Kanalgehäuse entsteht, so dass der Luftstrom unmittelbar unterhalb des Aktorgehäuses stromabwärts der Antriebswelle angeordnet ist. Bei Betrieb des Kraftfahrzeugs wird so aus dem vorderen Bereich des Fahrzeugs Luft angesaugt und zwangsweise zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse angesaugt, wodurch eine ausreichende Kühlung des Aktors sichergestellt wird.

In einer weiterführenden vorteilhaften Ausführung ist der Aktor über Abstandhalter am Kanalgehäuse befestigt und der Zwischenraum zwischen dem Aktorgehäuse und dem Kanalgehäuse ist von der Antriebswelle durchdrungen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Luftstrom entlang der Antriebswelle gefördert wird, so dass die Welle aktiv gekühlt wird. Dies führt dazu, dass eine Erwärmung des Aktors durch eine Wärmeleitung vom Abgaskanal über die Antriebswelle in den Aktor ebenfalls reduziert wird.

Eine besonders gute Kühlwirkung wird erzielt, wenn in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet stromaufwärts des Aktors ein Luftleitblech am Kanalgehäuse angeordnet ist, welches in Richtung des Aktorgehäuses weist. Auf diese Weise wird ein noch größerer Luftstrom in Richtung des Aktors geleitet, wodurch die Kühlwirkung durch den Luftstrom zusätzlich verbessert wird. Des Weiteren kann hierdurch gezielt kältere Luft in Richtung des Aktors geleitet werden. In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausbildung ist der Aktor an einer zu einem Fahrzeugunterboden entgegengesetzten Seite des Abgaskanals angeordnet und das Luftleitblech erstreckt sich von der zum Fahrzeugunterboden weisenden Seite des Abgaskanals zur gegenüberliegenden Seite, auf der der Aktor angeordnet ist, in Richtung des Aktorgehäuses weisend. Während sich im Kraftfahrzeug im Motorbereich unter der Motorhaube Luft staut und aufheizt, besteht im Unterbodenbereich ein stetiger kühlerer Luftstrom, der durch diese Anordnung des Leitblechs in Richtung des Aktors geleitet wird, wodurch die Kühlwirkung durch den Luftstrom entlang des Aktorgehäuses noch einmal erhöht wird.

Vorzugsweise erstreckt sich das Luftleitblech in einer weiterführenden Ausführungsform in Richtung des Abgasstroms betrachtet von einem Bereich stromaufwärts des Aktorgehäuses bis an ein stromaufwärtiges Ende des Aktorgehäuses. So kann der am Unterboden entstehende Fahrtwind bei Bewegung des Kraftfahrzeugs direkt genutzt und unmittelbar zum Aktorgehäuse geleitet werden.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Luftleitblech am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stroma ufwärtigen Ende der Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse endet. Auf diese Weise wird der Luftstrom direkt in den Zwischenraum zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse geleitet, wodurch der kühlende Luftstrom zusätzlich erhöht wird

Eine noch größere Kühlwirkung durch Erhöhung des Luftstroms im Zwischenraum zwischen dem Aktorgehäuse und dem Kanalgehäuse wird erreicht, wenn das erste Luftleitblech am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stroma ufwärtigen Ende des Aktorgehäuses endet, ein zweites Luftleitblech am in Richtung des Abgasstroms betrachtet stromaufwärtigen Ende der Projektionsfläche des Aktorgehäuses auf das Kanalgehäuse endet.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn sich vom stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses zum Kanalgehäuse eine Abschlusswand erstreckt, die stromabwärtig zur Öffnung am Kanalgehäuse mündet. So kann ein Ansaugen von Falschluft aus dem stromabwärtigen Bereich verhindert werden und sichergestellt werden, dass der angesaugte Luftstrom an der Unterseite des Aktors entlang strömt

Vorzugsweise weist das Kanalgehäuse abschnittsweise eine innere Kanalwand und eine äußere Kanalwand auf, wobei die Düse an der inneren Kanalwand ausgebildet ist und wobei ein Zwischenraum zwischen den beiden Kanalwänden entsteht. In diesen Zwischenraum kann entsprechend die Luft einströmen. Der Abgaskanal kann so in üblicher Weise mit konstantem Außendurchmesser hergestellt werden, so dass lediglich ein entsprechend düsenförmiger Einsatz eingebracht werden muss, was die Herstellung vereinfacht. Zusätzlich wird die Wärmestrahlung unmittelbar unterhalb des Aktors verringert, da im Zwischenraum die kühlere Luft vorhanden ist, die als Isolationsschicht wirkt, wodurch die Außenwand des Abgaskanals kühler ist.

Die Öffnung ist vorzugsweise an der äußeren Kanalwand ausgebildet und mündet axial unmittelbar stromaufwärts des engsten Querschnitts der Düse in den Raum. Dies führt zu einer besonders guten Saugwirkung.

Eine gute Saugwirkung wird auch erzielt, wenn die Öffnung im Bereich des engsten Querschnitts ausgebildet ist. Der Raum ist insbesondere ringförmig, was bedeutet, dass er die innere Kanalwand zumindest in einem Querschnitt vollständig radial umgibt. So entstehen die geringsten Strömungsverluste. Um eine noch größere Wärmemenge mittels des Luftstroms aus dem Aktor abführen zu können, sind an einer zum Kanalgehäuse weisenden Wand des Aktorgehäuses Mittel zur Wärmeleitung ausgebildet. Diese Mittel zur Wärmeleitung sind vorzugsweise durch Rippen auf der zum Kanalgehäuse weisenden Oberfläche der Wand des Aktorgehäuses gebildet, wodurch die Wärmeleitfläche vergrößert wird, was zu einer verbesserten Wärmeabfuhr führt. Alternativ oder zusätzlich sind die Mittel zur Wärmeleitung durch ein Material der zum Kanalgehäuse weisenden Wand des Aktorgehäuses mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 100 W/m*K gebildet. So kann beispielsweise diese Seite des Aktorgehäuses aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus Kupfer hergestellt werden. Auch durch die hohe Wärmeleitfähigkeit entsteht eine verbesserte Kühlwirkung am Aktor.

Es wird somit eine Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs geschaffen, mit der ein elektrischer Aktor eine Abgasklappe direkt ohne zwischengelagerte Gestänge antreiben kann, ohne dabei zu überhitzen, indem ein Luftstrom zwischen dem Kanalgehäuse und dem Aktorgehäuse erzeugt wird, indem eine Pumpwirkung des Abgasstroms genutzt wird. Hierzu wird insbesondere kühlere Luft zum Aktor geleitet. So kann auf die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels verzichtet werden und dennoch die thermische Belastung deutlich reduziert werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Abgasklappenanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ist in der Figur schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur zeigt einen Abgasstrang in einem Kraftfahrzeug, welcher eine erfindungsgemäße Abgasklappenanordnung beinhaltet. Die erfindungsgemäße Abgasklappenanordnung ist in einem Kraftfahrzeug 10 nahe eines Fahrzeugunterbodens 12 im Bereich eines unteren Motorraums 14 angeordnet.

Hier befindet sich ein Kanalgehäuse 16, welches einen Abgaskanal 18 im Innern ausbildet, der von einer Verbrennungskraftmaschine 19 entlang des Unterbodens des Fahrzeugs 10 in Fahrtrichtung nach hinten führt. In diesem Abgaskanal 18 ist eine Abgasklappe 20 auf einer Antriebswelle 22 angeordnet, welche sich durch das Kanalgehäuse 16 nach außen in einen Zwischenraum 24 zwischen dem Kanalgehäuse 16 und einem Aktorgehäuse 26 eines elektrischen Aktors 28 und in das Aktorgehäuse 26 erstreckt, welches über Abstandshalter 29 beabstandet vom Kanalgehäuse und an diesem befestigt angeordnet ist. Im Aktorgehäuse 26 befindet sich ein nicht sichtbares Getriebe, welches mittels eines Elektromotors 30 angetrieben wird, und dessen Ausgangszahnrad auf der Antriebswelle 22 angeordnet ist, so dass sich die Antriebswelle 22 mit der Abgasklappe 20 bei Betätigung des Elektromotors 30 dreht. Das Kanalgehäuse 16 weist im Bereich der Abgasklappe 20 eine innere Kanalwand 32 und eine äußere Kanalwand 34 auf. Während sich die äußere Kanalwand 34 über die gesamte Länge des Abgaskanals 18 erstreckt, ist die innere Kanalwand 32 lediglich im Bereich der Abgasklappe 20 sowie im unmittelbar dahinter angeordneten Bereich ausgebildet. In Strömungsrichtung des Abgases betrachtet erstreckt sich die innere Kanalwand 32 unmittelbar stromaufwärts der Abgasklappe und damit unterhalb des Aktors 28 zunächst von der äußeren Kanalwand 34 schräg nach innen, so dass ein ringförmiger Raum 36 zwischen den beiden Kanalwänden 32, 34 ausgebildet wird. Im Bereich, der von der Abgasklappe 20 durchfahren wird, setzt sich die innere Kanalwand 32 geradlinig fort, so dass der innere Querschnitt und der ringförmige Raum 36 einen im Wesentlichen gleichen Querschnitt beibehalten. Im Folgenden verengt sich die innere Kanalwand 32 in

Strömungsrichtung, so dass eine Düse 38 ausgebildet wird. Der engste Querschnitt dieser Düse 38 befindet sich unmittelbar hinter dem stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses 26 beziehungsweise unmittelbar stromabwärtig einer Projektionsfläche 40 des Aktorgehäuses 26 auf das Kanalgehäuse 16 beziehungsweise auf eine Mittelachse des Abgaskanals 18 bei einer Projektion in Richtung der Antriebswelle 22.

In axialer Richtung betrachtet in gleicher Höhe wie dieser engste Querschnitt der Düse 38 ist an der äußeren Kanalwand 34 eine Öffnung ausgebildet, die somit ebenfalls unmittelbar stromabwärts der Projektionsfläche 40 des Aktorgehäuses 26 auf das Kanalgehäuse und in Strömungsrichtung des Abgas hinter der Antriebswelle 22 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Öffnung 42 in Umfangsrichtung des Kanalgehäuses 16 betrachtet auf gleicher Höhe angeordnet ist, wie die Antriebswelle 22 oder zumindest in gleicher Höhe wie die Projektionsfläche 40.

Am Kanalgehäuse 16 ist zusätzlich ein erstes Luftleitblech 44 angeordnet. Dieses erstreckt sich in Strömungsrichtung betrachtet von einer zum Aktorgehäuse 26 stroma ufwärtigen Seite des Kanalgehäuses 16 bis zur Projektionsfläche 40 des Aktorgehäuses 26 auf das Kanalgehäuse 16 und in radialer Richtung zum Abgaskanal 18 betrachtet von einer zum Fahrzeugunterboden 12 gerichteten Seite des Kanalgehäuses 16 bis zur zum Aktorgehäuse 26 gerichteten Seite des Kanalgehäuses 16.

Ein zweites Luftleitblech 46 kann sich parallel zum ersten Luftleitblech 44 bis zu einer zum Kanalgehäuse 16 gerichteten Wand 48 des Aktorgehäuses 26 erstrecken, so dass ein zweiseitig begrenzter Kanal gebildet wird. Gegebenenfalls kann auf dieses zweite Luftleitblech 46 verzichtet werden. Zusätzlich ist am stromabwärtigen Ende des Aktorgehäuses 26 eine Abschlusswand 47 ausgebildet. Diese erstreckt sich zum stromabwärtigen Ende der Öffnung 42 an die erste Kanalwand 34 und weist eine Breite auf, die im Wesentlichen der Breite des Aktorgehäuses 26 entspricht.

Die Wand 48 weist Mittel zur Wärmeleitung auf, welche einerseits dadurch gebildet werden, dass diese Wand 48 aus Aluminium hergestellt ist, welches eine hohe Wärmeleitung aufweist, und andererseits, dass an einer Oberfläche der Wand 48 Rippen 50 ausgebildet sind.

Befindet sich das Fahrzeug 10 im Betrieb entsteht Wärme durch die Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 19, so dass heißes Abgas durch den Abgaskanal 18 strömt und der Motorraum 14 deutlich erwärmt wird. Dies hat üblicherweise zur Folge, dass Wärme durch Wärmestrahlung des Abgaskanals 18 und Wärmeleitung über die Antriebswelle 22 in das Aktorgehäuse gelangt und dort zu einer thermischen Überlastung des Elektromotors 30 oder einer angeschlossenen Steuereinheit führen kann.

Erfindungsgemäß strömt jedoch der Abgasstrom durch die Düse 38 im Abgaskanal 18, wodurch insbesondere bei großen Abgasströmen ein dynamischer Druckabfall entsteht, der dazu führt, dass das Abgas nach dem Prinzip der Saugstrahlpumpe als Treibmedium für den Luftstrom wirkt, der über die beiden Luftleitbleche 44, 46 entlang der Wand 48 des Aktorgehäuses 26, also durch den Zwischenraum 24 zwischen Aktorgehäuse 26 und Kanalgehäuse 16 und durch die Öffnung 42 in den Abgaskanal 18 gesaugt wird. Diese Saugwirkung wird mit steigendem Abgasstrom und damit mit steigendem Wärmeeintrag aufgrund des Abgases größer. Durch die Anordnung der Luftleitbleche 44, 46 ist die angesaugte Luft deutlich kälter als die Luft im Motorraum 14, da sie vom Fahrzeugunterboden 12, der stetig durch den Fahrtwind durchströmt wird, angesaugt wird. Dies hat zur Folge, dass die thermische Belastung der Wand 48, die sonst der höchsten thermischen Belastung aufgrund der Nähe zum Abgaskanal 18 ausgesetzt wäre, durch diese kühle Luft aktiv gekühlt wird. Des Weiteren strömt diese Luft entlang des Abschnitts der Antriebswelle 22, welcher zwischen dem Aktorgehäuse 26 und dem Kanalgehäuse 16 angeordnet ist, so dass auch der Antriebswelle 22 Wärme entzogen wird. Zusätzlich wird diese Luft auch in den ringförmigen Raum 36 gesaugt, welche sich als Isolationsschicht zum Aktorgehäuse 26 zwischen den beiden Kanalwänden 32, 34 bildet. Die Rippen 50 sowie die Ausbildung der Wand 48 aus Aluminium erhöhen den Wärmeübergang zum Luftstrom zusätzlich, so dass dem Aktorgehäuse 26 zusätzliche Wärme entzogen wird. Aus alledem folgt, dass die thermische Belastung des elektrischen Aktors 28 durch die erfindungsgemäße Abgasklappenanordnung deutlich sinkt, so dass die Lebensdauer des Aktors beziehungsweise des Elektromotors und der Steuerung erhöht wird. Hierzu sind keine zusätzlichen Kühlleitungen erforderlich.

Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So wird bereits eine deutliche Wärmeentlastung erzielt, wenn lediglich eines der Luftleitbleche oder sogar keines der Luftleitbleche verwendet wird, da bereits der durch die Saugstrahlpumpenwirkung entstehende Luftstrom einen Wärmeentzug aus dem Aktor bewirkt. Auch können die Luftleitbleche als Rohr oder anderweitig geformter Kanal, der zur Aktorunterseite führt, ausgebildet werden. Auch kann die Öffnung etwas stromaufwärts oder stromabwärts des engsten Düsenquerschnitts angeordnet werden oder die Form der Luftleitbleche des Abgaskanals oder der Gehäusewände selbstverständlich geändert werden.