Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem pneumatisch betätigtem Aktor mit einer ersten Membran, einem Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, einer Ventilstange, die über den Aktor bewegbar ist, einem Ventilschließglied, welches an der Ventilstange befestigt ist und welches auf einen ersten Ventilsitz absenkbar und vom ersten Ventilsitz abhebbar ist, einer Rückschlagplatte, welche über eine Federkraft in Richtung eines zweiten Ventilsitzes belastet ist, einem Durchströmungsquerschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass, welcher durch das Ventilschließglied und die Rückschlagplatte freigebbar oder verschließbar ist, und einem pneumatisch betätigbarem Abstandselement, über welches die Rückschlagplatte bei auf dem ersten Ventilsitz aufliegendem Ventilschließglied entgegen der Federkraft vom zweiten Ventilsitz abgehoben ist.

Derartige Ventilvorrichtungen werden insbesondere bei der Sekundärlufteinblasung in den Abgastrakt eines Verbrennungsmotors zur Schadstoffreduzierung genutzt, wobei über das Ventilschließglied der von einer Sekundärluftpumpe zur Verfügung gestellte Sekundärluftstrom freigegeben oder abgesperrt werden kann, während das Rückschlagventil ein Rückströmen von Abgas aus dem Abgasbereich zur Sekundärluftpumpe bei auftretenden Abgaspulsationen verhindert.

Es sind verschiedene derartige abschaltbare Rückschlagventile bekannt geworden, welche entweder pneumatisch oder auch elektromagnetisch aktuiert werden. Problematisch ist dabei, dass durch Eisbildung oder anhaftende Kondensate am Rückschlagventilkörper beziehungsweise zwischen dem Ventilsitz und dem Rückschlagventilkörper insbesondere bei länger geschlossenem Ventil ein Verkleben des Rückschlagventilkörpers am Ventilsitz erfolgen kann.

Um dies zu verhindern, wird in der DE 10 2006 021 467 AI ein abschaltbares Rückschlagventil vorgeschlagen, welches ein Abstandselement aufweist, durch welches die Rückschlagplatte leicht vom Ventilsitz abgehoben wird, wenn das Ventilschließglied sich im geschlossenen Zustand befindet. Hierzu ist das Abstandselement mit einem Formveränderungselement verbunden, durch welches das Abstandselement in Richtung der Rückschlagplatte bewegbar oder von diesem entfernbar ist. Insbesondere erfolgt dies, indem eine Steuerkammer, welche zur Betätigung des Schließgliedes mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, mit einem Balg verbunden ist, dessen Länge derart gewählt ist, dass er in seiner Normalstellung gegen die Rückschlagplatte anliegt und diese vom Sitz abhebt. Bei Anlegen eines Unterdrucks in die Steuerkammer wird der Balg zusammengezogen, so dass die Rückschlagplatte ihre normale Funktion übernehmen kann. Entsprechend sind entweder zusätzliche Aktoren zu verwenden oder es ergeben sich weitere Anschlüsse, die zu Undichtigkeiten führen können.

Problematisch an dieser Ausführungsform ist es auch, dass der Lagerbereich der Ventilstange nicht zuverlässig abgedichtet wird, so dass sich Kondensate im Bereich der Gleitbuchse zwischen der Ventilstange und der Gleitbuchse ansetzen und dort anfrieren können, wodurch erneut die Funktion des Ventils eingeschränkt wird.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Ventilvorrichtung zu schaffen, mit der eine zuverlässige Funktion über eine lange Lebensdauer auch bei anfallenden Kondensaten, Schmutzstoffen oder Eisbildung sichergestellt werden kann. Entsprechend soll sowohl ein Kleben der Rückschlagplatte am Ventilsitz als auch ein schädlicher Einfluss auf die Gleitbuchse der Ventilstange zuverlässig vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass das Abstandselement mit einer zweiten Membran verbunden ist, welche eine Steuerkammer des pneumatischen Aktors einseitig begrenzt, wird durch diese Membran der Aktorraum zum Strömungsgehäuse dichtend getrennt. Die Aktuierung erfolgt unmittelbar über eine Druckdifferenz, die für die Aktuierung des Ventilschließgliedes erforderlich ist. Ein Kleben der Rückschlagplatte am Ventilsitz in der geschlossenen Stellung beispielsweise durch Eisbildung wird zuverlässig vermieden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Abstandselement mindestens einen Arm auf, der gegen die Rückschlagplatte bewegbar ist, so dass lediglich eine geringe Beeinflussung des Luftstromes bei geöffnetem Ventil erfolgt.

In einer besonders bevorzugten Ausbildung erstrecken sich zumindest zwei Arme, die über den Umfang verteilt sind, von einem ringförmigen Trägerelement des Abstandselementes, welches an der zweiten Membran befestigt ist, zur Rückschlagplatte. Entsprechend besteht eine ausreichende Stabilität des Abstandselementes, welches an der Rückschlagplatte von entgegengesetzten Seiten aufliegt, wodurch ein Verkanten vermieden wird. Insbesondere können die Abstandelemente gleichmäßig über den Umfang verteilt werden.

Vorzugsweise ist die Steuerkammer an ihrer entgegengesetzten Seite durch die erste Membran begrenzt, welche mit der Ventilstange verbunden ist, so dass die beiden Membranen in entgegengesetzte Richtungen verformt werden, wodurch auf einfache Weise mit nur einer Steuerkammer die entgegengesetzten Bewegungen der ersten und zweiten Membran und damit des Ventilschließgliedes und der Rückschlagplatte realisiert werden.

Vorteilhafterweise ist die zweite Membran an ihrem Innenumfang und an ihrem Außenumfang zwischen dem Gehäuse und einem Befestigungselement eingespannt, wodurch eine dichte Anbindung der Membran ohne zusätzliche Bauteile hergestellt wird.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform dient als Befestigungselement am Außenumfang der Membran ein in einen ringförmigen Vorsprung des Gehäuses eingepresster Befestigungsring. Entsprechend wird die Membran an ihrem Außenumfang mit nur einem Montageschritt umfänglich fixiert.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn als Befestigungselement am Innenumfang der Membran ein sich erweiternder Kragen einer Gleitbuchse dient, über welche die Ventilstange gelagert ist. Auch diese Befestigung erfolgt in nur einem Montageschritt. Zusätzliche Bauteile werden nicht benötigt. Des Weiteren wird so Leckagen über den Spalt zwischen der Gleitbuchse und dem Gehäuse zuverlässig vermieden.

In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist an der zur zweiten Membran entgegengesetzten Seite der Gleitbuchse eine dritte Membran an der Ventilstange befestigt. Durch diese Membran kann der Spalt zwischen der Ventilstange und der Gleitbuchse abgedichtet werden, so dass diese vollständig abgedichtet wird, wodurch die Lebensdauer des Ventils zusätzlich erhöht wird. Des Weiteren wird ein Eindringen von Kondensaten oder Schmutzpartikeln in diesen Bereich zuverlässig verhindert, so dass auch ein Festklemmen beispielsweise durch Eisbildung in diesem Spalt verhindert wird.

Hierzu ist die dritte Membran vorzugsweise über ihren Innenumfang an der Ventilstange zwischen der Gleitbuchse und dem Ventilschließglied befestigt und ihr Außenumfang zwischen einer die Ventilsitze bildenden Ventilplatte und einem sich in Richtung der Ventilplatte erstreckenden ringförmigen Vorsprung des Gehäuses eingeklemmt. Entsprechend wird ein Raum zwischen der zweiten und dritten Membran sowie dem Gehäuse vollständig abgesperrt.

Vorzugsweise übt eine erste Feder eine Kraft auf die erste Membran aus, durch die das Ventilschließglied in Schließrichtung belastet ist. Entsprechend ist das Ventil in seiner Normalstellung geschlossen, wodurch lediglich ein Unterdruck zur Betätigung eingeleitet werden muss. Durch diese Feder kann die Schließkraft auf eine gewünschte Kraft eingestellt werden.

In einer weiterführenden Ausführungsform übt eine zweite Feder eine Kraft auf die zweite Membran aus, durch die das Abstandselement in Richtung der Rückschlagplatte belastet ist. Dies bedeutet, dass auch hier die Normalstellung des Abstandselementes, diejenige ist, in der die Rückschlagplatte durch das Abstandselement abgehoben wird. So wird sichergestellt, dass bei abgeschaltetem Motor die Rückschlagplatte nicht auf ihrem Sitz aufliegt. Die Öffnungskraft kann somit durch die beiden Federn eingestellt werden.

Vorteilhafterweise ist die Rückschlagplatte im auf dem ersten Ventilsitz aufliegenden Zustand des Ventilschließgliedes radial vom Ventilschließglied umgeben und ist durch ein zwischen dem Ventilschließglied und der Rückschlagplatte vorgespanntes Federelement in Richtung des zweiten Ventilsitzes belastet, welcher radial innerhalb des ersten Ventilsitzes ausgebildet ist. So wird einerseits die Rückschlagplatte geschützt und andererseits sind keine weiteren Bauteile erforderlich, um die Funktion als Rückschlagventil zu gewährleisten.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die Federkraft der zweiten Feder größer als die Federkraft des Federelementes, so dass ein sicheres Abheben der Rückschlagplatte im geschlossenen Zustand gewährleistet wird.

Es wird somit eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche unempfindlich gegen Verschmutzungen, Kondensate oder Eisbildung ist und dessen Funktionsweise bereits unmittelbar nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine unabhängig von den Umgebungstemperaturen zur Verfügung steht, da ein Festklemmen der Rückschlagplatte zuverlässig verhindert wird. Des Weiteren weist dieses Ventil eine hohe Lebensdauer auf, da zueinander gleitende Teile zuverlässig abgedichtet werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Abstandselementes mit Membran aus Figur 1.

Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung besteht aus einem pneumatisch betätigbaren Aktor 10 mit einer Steuerkammer 12, in welche ein Unterdruck über einen Anschlussstutzen 14 beispielsweise aus einer Vakuumpumpe eingeleitet werden kann, der auf eine erste Membran 16 wirkt, welche durch den Unterdruck entgegen einer Federkraft einer ersten Feder 18 verformt wird. Der Aktor 10 wird durch ein Gehäuse 20 begrenzt, welches auch eine Auflagefläche für die erste Feder 18 aufweist und gleichzeitig ein Strömungsgehäuse der Ventilvorrichtung bildet, welches einen Einlass 22 und einen Auslass 24 aufweist. Aktorseitig wird das Gehäuse 20 durch einen Deckel 26 verschlossen, wobei zwischen dem Deckel 26 und einem ringförmigen Rand 28 des Gehäuses 20 die erste Membran 16 an ihrem Außenumfang eingeklemmt ist. Hierdurch wird zwischen dem Deckel 26 und der ersten Membran 16 ein Raum abgetrennt, in dem Atmosphärendruck herrscht. Der Innenumfang der Membran 16 ist an einen Ventilstangenträger 30 angespritzt, an welchem eine Ventilstange 32 befestigt ist und der als zweite Auflagefläche für das entgegengesetzte Ende der ersten Feder 18 dient, über welche die Ventilstange 32 in Richtung des Deckels 26 belastet ist.

Am zum Aktor 10 entgegengesetzten Ende der Ventilstange 32 ist ein Ventilschließglied 34 befestigt, welches mit einem ersten Ventilsitz 36 zusammenwirkt, der an einer Ventilplatte 38 ausgebildet ist, welche im Gehäuse 20 befestigt ist und Durchströmungsquerschnitte 40 aufweist, über die der Einlass 22 mit dem Auslass 24 durch Abheben des Ventilschließgliedes 34 vom Ventilsitz 36 verbindbar ist. An der Ventilplatte 38 ist zusätzlich ein zweiter, konzentrisch innerhalb des ersten Ventilsitzes 36 angeordneter Ventilsitz 42 ausgebildet, der mit einer als Rückschlagventil wirkenden Rückschlagplatte 44 korrespondiert, welche über ein Federelement 46 in Richtung des zweiten Ventilsitzes 42 belastet wird und auf der Ventilstange 32 gelagert ist. Dieses Federelement 46 stützt sich mit seinem gegenüberliegenden axialen Ende am Ventilschließglied 34 ab und ist radial ebenso wie die Rückschlagplatte 44 im den Durchströmungsquerschnitt 40 verschließenden Zustand des Ventilschließgliedes 34 von diesem umgeben.

Die Rückschlagplatte 44 wird entsprechend bei geschlossenem Ventilschließkörper und damit in Normalstellung des Aktors 10, in der kein Vakuum in der Steuerkammer 12 anliegt, durch das Federelement 46 gegen den zweiten Ventilsitz 42 belastet. Da dies insbesondere der Fall ist, wenn sich das Ventil im abgeschalteten Zustand des Verbrennungsmotors befindet, können durch Verunreinigungen aus dem Abgas oder durch gefrierende Flüssigkeiten Anhaftungen zwischen dem zweiten Ventilsitz und der Rückschlagplatte entstehen, die eine korrekte Funktionsweise des Rückschlagventils bei einem anschließenden Start des Verbrennungsmotors verhindern.

Aus diesem Grund wird ein pneumatisch betätigbares Abstandelement 48 im Gehäuse 20 zusätzlich montiert, dessen axiales Ende bei abgeschaltetem Ventil beziehungsweise bei geschlossenem Ventilschließglied 34 gegen die Rückschlagplatte 44 anliegt und diese vom zweiten Ventilsitz 42 entfernt, so dass ein Spalt 50 zwischen dem zweiten Ventilsitz 42 und der Rückschlagplatte 44 gebildet wird.

Das Abstandelement 48 besteht aus einem ringförmigen Trägerelement 52, von dem aus sich zwei Arme 54 einander gegenüberliegend in Richtung der Rückschlagplatte 44 erstrecken. Es könnten auch beispielsweise drei oder mehr Arme 54 ausgebildet werden, welche üblicherweise gleichmäßig über den Umfang verteilt werden. Das ringförmige Trägerelement 52 ist an einer zweiten Membran 56 befestigt, welche die Steuerkammer 12 in Richtung des Ventilschließgliedes 34 radial innerhalb der ersten Feder 18 begrenzt. Diese zweite Membran 56 ist an ihrem Außenumfang zwischen einer Auflagefläche 58 des Gehäuses 20 und einem Befestigungselement axial eingeklemmt, welches als Befestigungsring 60 ausgebildet ist, der in einen entsprechenden sich in die Steuerkammer 12 erstreckenden ringförmigen Vorsprung 62 des Gehäuses 20, welcher von der ersten Feder 18 umgeben ist, eingepresst ist. Am Innenumfang ist die zweite Membran 56 axial zwischen einem axialen Ende eines inneren Gehäuseabschnitts 64, in dem auch eine Aufnahmebohrung 66 ausgebildet ist, in der eine Gleitbuchse 68 zur gleitenden Aufnahme der Ventilstange 32 angeordnet ist, und einem nach radial außen stehenden Kragen 70 dieser Gleitbuchse 68, der als Befestigungselement dient, eingeklemmt. In der Steuerkammer 12 ist eine zweite Feder 72 angeordnet, die sich einerseits an der zweiten Membran 56 beziehungsweise dem Trägerelement 52 abstützt und an der entgegengesetzten Seite gegen den Ventilstangenträger 30 anliegt. Diese zweite Feder 72 weist eine größere Federkraft als das auf die Rückschlagplatte wirkende Federelement auf, wodurch sichergestellt wird, dass bei Betätigung der zweiten Membran 56 durch die zweite Feder 72 die Rückschlagplatte 44 vom Ventilsitz 42 abgehoben wird und nicht auf diesen aufgepresst wird. Wird ein Vakuum in der Steuerkammer 12 gezogen, wird entsprechend einerseits die Ventilstange 32 derart bewegt, dass das Ventilschließglied 34 vom ersten Ventilsitz 36 abgehoben wird und andererseits das Abstandselement 48 in entgegengesetzter Richtung gezogen, wodurch die Rückschlagplatte 44 durch das Federelement 46 auf den Ventilsitz 42 gedrückt wird und gegen diesen anliegt, solange nicht die durch den geförderten Luftstrom entstehende Luftdruck eine Kraft auf die Rückschlagplatte 44 ausübt, welche die Kraft des Federelementes 46 übersteigt.

Die Anordnung der zweiten Membran 56 sorgt gleichzeitig dafür, dass kein Gas oder Verschmutzungen in die Steuerkammer 12 dringen können außer entlang der Ventilstange 32 zwischen dieser und der Gleitbuchse 68. Um auch dies zuverlässig zu verhindern, erstreckt sich von dem inneren Gehäuseabschnitt 64 ein ringförmiger Vorsprung 74 in Richtung der Ventilplatte 38, der kurz vor der Ventilplatte 38 endet und zwischen dessen Ende und der Ventilplatte 38 der Außenumfang einer dritten Membran 76 eingeklemmt ist, deren Innenumfang an der Ventilstange 32 dichtend befestigt ist. Entsprechend wird der Führungsbereich der Ventilstange 32 durch die zweite Membran 56 und die dritte Membran 76 vollständig abgedichtet.

Soll im Betrieb beispielsweise ein Sekundärluftstrom in den Abgasbereich des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, wird in der Steuerkammer 12 ein Vakuum gezogen. Die erste Membran 16 und die zweite Membran 56 werden zueinander ausgelenkt, so dass das Ventilschließglied 34 vom ersten Ventilsitz 36 abgehoben wird und das Abstandselement 48 von der Rückschlagplatte 44 entfernt wird. In diesem Betriebszustand nimmt die Rückschlagplatte 44 ihre normale Funktion als Rückschlagventil auf und Luft kann vom Einlass 22 zum Auslass 24 strömen, während der umgekehrte Weg durch die Rückschlagplatte 44 gesperrt wird. Soll keine Luft mehr gefördert werden oder wird der Verbrennungsmotor im Folgenden ausgestellt, gelangt Luft in die Steuerkammer 12, so dass die Federkräfte die Stellung der Ventilstange 32 und des Abstandselementes 48 bestimmen. Dies hat zur Folge, dass das Ventilschließglied 34 gegen seinen Ventilsitz 36 bewegt wird und diesen verschließt und das Abstandselement 48 gegen die Rückschlagplatte 44 gedrückt wird und diese vom Ventilsitz 42 entfernt. Hierdurch können die am Auslass 24 vorhandenen Abgase und die im Abgas vorhandenen Schmutzstoffe sowie anfallende Kondensate sich nicht im Anschlagbereich der Rückschlagplatte 44 am zweiten Ventilsitz 42 anlagern und beispielsweise durch Eisbildung zu einem Verklemmen der Rückschlagplatte 44 führen. Auch ist es nicht möglich, dass diese Abgase oder Kondensate aus der Luft in den Bereich der Ventilstangenführung gelangen, da dieser Raum vollständig durch die dritte Membran 76 abgedichtet ist. Daraus folgt, dass die korrekte Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung unabhängig von vorhandenen Schmutzstoffen und Temperaturen vom Start ab gewährleistet wird. Hierdurch steigt auch die Lebensdauer eines derartigen Ventils.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So sind selbstverständlich Änderungen bezüglich des Aufbaus der verschiedenen Teile der Ventilvorrichtung wie dem Gehäuse, dem Abstandselement oder der Befestigungselemente denkbar. Auch kann das Befestigungselement beispielsweise mit drei Armen ausgeführt werden oder der Aktor in anderer Weise ausgestaltet und mit Druckluft oder Unterdruck versorgt werden als dies dargestellt ist.