DaimlerChrysler AG

VentilVorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, insbesondere eine Ventilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Ventilvorrichtungen kommen zum Beispiel bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen als AGR-Ventil oder als Sperrklappe im Auspuffkrümmermittelteil zum Einsatz. Da die Ventilvorrichtungen in diesem Fall von heißen Abgasen durchströmt werden, werden an sie besondere Anforderungen hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Fressresistenz, Abgasresistenz und dergleichen gestellt. Dabei stellt sich auch das Problem, dass die Lager der Welle aufgrund der hohen vorherrschenden Temperaturen nicht mit einem herkömmlichen Schmiermittel geschmiert werden können.

Herkömmliche Ventilvorrichtungen dieser Art weisen zum Beispiel eine Welle aus austenitischem Stahl auf, der galvanisch vernickelt ist, die zylindrischen Lagerbuchsen bestehen zum Beispiel aus Ni-Resist D2B, und das Gehäuse ist zum Beispiel aus GGG-SiMo 5 1 gefertigt. Bei einer solchen Ventilvorrichtung kommt es mit der Zeit zum Ablösen der Nickelschicht der Klappenwelle und anschließend zur Heißgaskorrosion derselben, was zu einem Fressverschleiß zwischen den Lagern und der Welle und schließlich zu einem Versagen der jeweiligen Ventilvorrichtung führt, woraus Motorschäden bzw. hohe Reparaturkosten resultieren.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilvorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Probleme herkömmlicher Ventilvorrichtungen vermeidet. Insbesondere soll die Erfindung eine Ventilvorrichtung für den Einsatz im Heißgasbereich schaffen, die hochverschleißfest und hochtemperaturbeständig ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Ventilvorrichtung der Erfindung weist auf: ein Ventilgehäuse; wenigstens einen im Ventilgehäuse definierten Durchgangskanal; wenigstens eine Ventilklappe zum wahlweisen öffnen und Schließen des wenigstens einen Durchgangskanals; eine Welle, die quer zu dem wenigstens einen Durchgangskanal in dem Ventilgehäuse angeordnet ist und an der die wenigstens eine Ventilklappe drehfest angebracht ist, zum Drehen der wenigstens einen Ventilklappe zwischen einer öffnungsstellung, in der der wenigstens eine Durchgangskanal geöffnet ist, und einer Schließstellung, in der der wenigstens eine Durchgangskanal durch die wenigstens eine Ventilklappe geschlossen ist; und wenigstens ein Lager zur drehbaren und gasdichten Lagerung der Welle in dem Ventilgehäuse. Die Ventilvorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Welle und das Material des wenigstens einen Lagers aus einem keramischen System ausgewählt sind; und dass das wenigstens eine Lager eine Hülsenform besitzt, deren Außenumfangsseite derart konvex geformt ist, dass der Außendurchmesser von dem dem wenigstens einen Durchgangskanal zugewandten Ende aus kontinuierlich zunimmt.

Durch die Auswahl eines keramischen Systems für die Materialien sowohl der Welle als auch des Lagers wird eine hochverschleißfeste und hochtemperaturbeständige Lagerung der Welle im Ventilgehäuse geschaffen. Als keramisches System kann beispielsweise ein karbidisches System vorgesehen sein. Das keramische System gewährleistet auch ohne den Einsatz zusätzlicher Schmierstoffe, die im Heißgasbereich ungeeignet sind, ausgezeichnete Gleit- und Schmiereigenschaften. Ferner kommt es beim Einsatz der Ventilvorrichtung im Heißgasbereich aufgrund der hohen vorherrschenden Temperaturen üblicherweise zu einer leichten Verformung der Welle, die sich auch bei Auswahl eines geeigneten Materials nicht vollständig ausschließen lässt. Wegen der speziellen Geometrie des Lagers stellt aber eine solche Verformung der Welle kein Problem dar, da weiterhin eine gute und gasdichte Lagerung der Welle im Ventilgehäuse erhalten bleibt.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Welle aus einem martensitischen warmfesten Stahl und das wenigstens eine Lager aus Zirkonoxid, vorzugsweise aus mit Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid, gefertigt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Lager im Querschnitt kreissektorförmig, beispielsweise viertelkreisförmig ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Welle mit der wenigstens einen daran angebrachten Ventilklappe in axialer Richtung in ihre Sollstellung vorgespannt.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform definiert das Ventilgehäuse genau einen Durchgangskanal, der durch genau eine Ventilklappe wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann, und ein erstes und ein zweites Lager sind zu beiden

Seiten des einen Durchgangskanals vorgesehen. Eine solche Ventilvorrichtung ist in vorteilhafter Weise zum Beispiel als Sperrklappe im Auspuffkrümmermittelteil einer Kraftfahrzeug- Brennkraftmaschine einsetzbar.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform definiert das Ventilgehäuse einen ersten und einen zweiten Durchgangskanal, die durch eine Trennwand voneinander getrennt sind und die durch eine erste bzw. eine zweite Ventilklappe wahlweise geöffnet und geschlossen werden können. Ein erstes Lager ist auf der dem zweiten Durchgangskanal abgewandten Seite des ersten Durchgangskanals angeordnet, und ein zweites Lager ist auf der dem ersten Durchgangskanal abgewandten Seite des zweiten Durchgangskanals angeordnet, und ferner ist ein weiteres Lager zur drehbaren und gasdichten Lagerung der Welle im Bereich der Trennwand zwischen dem ersten und dem zweiten Durchgangskanal vorgesehen. Eine solche Ventilvorrichtung kann in vorteilhafter Weise als AGR-Klappe einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine verwendet werden.

Bei dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Ventilklappe vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass der erste und der zweite Durchgangskanal durch die erste bzw. die zweite Ventilklappe simultan geöffnet und geschlossen werden können, und das weitere Lager ist vorzugsweise in der Form einer Zylinderhülse und aus dem gleichen Material wie das erste und das zweite Lager ausgebildet .

In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Ventilklappe stufenlos zwischen der öffnungsstellung und der Schließstellung drehbar.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Ventilvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht einer Ventilvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel .

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Ventilvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das beispielsweise als eine Sperrklappe in einem Auspuffkrümmermittelteil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.

Die Ventilvorrichtung weist ein Ventilgehäuse 10 auf, in dem ein Durchgangskanal 12 für einen heißen Abgasstrom der Brennkraftmaschine definiert ist. Dieser eine Durchgangskanal 12 ist durch eine Ventilklappe 18 wahlweise verschließbar, die drehfest an einer Welle 22 montiert, zum Beispiel mit dieser verstiftet ist. Die Welle 22 erstreckt sich im Wesentlichen quer zum Durchgangskanal 12 durch das Ventilgehäuse 10 und ist vorzugsweise aus einem martensitischen warmfesten Stahl (z.B. X 39CrMol7 1) als Vollmaterial oder als Rohr gefertigt.

Die Ventilklappe 18 ist durch die Welle 22 zwischen einer öffnungsstellung, in der der Durchgangskanal geöffnet ist, und einer Schließstellung, in der der Durchgangskanal 12 durch die Ventilklappe 18 geschlossen ist, drehbar. Die Drehung zwischen den beiden genannten Endstellungen erfolgt

vorzugsweise stufenlos und beispielsweise über einen Winkel von 45° bis 90°.

Zur drehbaren und gasdichten Lagerung der Welle 22 in dem Ventilgehäuse 10 sind ein erstes Lager 24 und ein zweites Lager 26 zu beiden Seiten des Durchgangskanals 12 angeordnet. Die beiden Lager 24, 26 sind aus einem keramischen System, vorzugsweise einem mit Magnesiumoxid stabilisierten Zirkonoxid (z.B. ZN40) gefertigt, um zusammen mit dem keramischen System der Welle 22 optimale Gleit- und Schmiereigenschaften in hochverschleißfester und hochtemperaturbeständiger Weise bereitzustellen.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die beiden Lager 24, 26 jeweils im Querschnitt kreissektorförmig, insbesondere viertelkreisförmig ausgebildet. Allgemein sind das erste und das zweite Lager 24, 26 in einer Hülsenform ausgebildet, deren Innenseite zylindrisch ist und deren Außenseite derart konvex geformt ist, dass der Außendurchmesser von der dem Durchgangskanal 12 zugewandten Seite aus kontinuierlich zunimmt. Durch diese spezielle Geometrie der Lager 24, 26 kann im Vergleich zu den herkömmlicherweise eingesetzten Lagern in einfacher Zylinderhülsenform selbst bei einer leichten Verformung bzw. Verbiegung der Welle 22 aufgrund der hohen vorherrschenden Temperaturen die gasdichte und drehbare Lagerung der Welle 22 im Ventilgehäuse 10 aufrechterhalten werden, sodass die Funktionsfähigkeit der Ventilvorrichtung voll erhalten bleibt.

Durch die spezielle Materialauswahl und die Geometrie der Lagerung der Welle 22 im Ventilgehäuse 10 ist eine hochverschleißfeste, fressresistente, hochtemperaturbeständige und abgasresistente Ventilvorrichtung geschaffen, mit der Funktionsausfälle der Ventilvorrichtung selbst und damit auch

Schäden an der Brennkraftmaschine vermieden werden können, wodurch Reparatur- und Wartungskosten deutlich gesenkt werden können.

Die Ventilvorrichtung ist weiter, wie in Fig. 1 veranschaulicht so in dem Ventilgehäuse 10 angeordnet, dass die Welle 22 in axialer Richtung in ihre Sollstellung vorgespannt ist. Hierzu weist die Welle 22 an ihrem einen Ende (rechts in Fig. 1) in Endflansch 30 auf, über den sie in axialer Richtung gegenüber dem Ventilgehäuse 10 abgestützt ist. An ihrem anderen Ende (links in Fig. 1) ist die Welle 22 mit einem Hebel 32 versehen, über den die Welle 22 zwischen der Schließstellung und der öffnungsstellung der Ventilklappe 18 gedreht werden kann. Der Hebel 32 ist zum Beispiel mit der Welle 22 verschweißt oder mittels Formschluss drehfest mit ihr verbunden.

Zwischen dem Hebel 32 und dem Ventilgehäuse 10 ist eine Feder 34 vorgesehen, welche die Welle 22 in axialer Richtung im Ventilgehäuse 10 positioniert. Diese Feder 34 ist zwischen einem ersten und einem zweiten Federlager 36, 38 gehalten, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das erste und das zweite Lager 24, 26 hergestellt sind. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können die beiden Federlager 36, 38 auch aus einem anderen keramischen Material mit geringer Wärmeleitung hergestellt sein.

Während in dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 die Feder 34 zwischen dem Hebel 32 und dem Ventilgehäuse 10 angeordnet ist, ist es selbstverständlich ebenfalls möglich, die Feder 34 am anderen Ende der Welle 22 zwischen dem Endflansch 30 und dem Ventilgehäuse 10 anzuordnen.

Nachfolgend wird unter Bezug auf Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ventilvorrichtung näher erläutert. Dabei sind die gleichen oder ähnlichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet und auf ihre wiederholte detaillierte Erläuterung wird verzichtet.

Die Ventilvorrichtung von Fig. 2 wird in vorteilhafter Weise zum Beispiel als eine AGR-Klappe einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs benutzt. Sie unterscheidet sich von der Ventilvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dadurch, dass in dem Ventilgehäuse 10 zwei, d.h. ein erster und ein zweiter Durchgangskanal 12, 14 definiert sind.

Die beiden Durchgangskanäle 12, 14 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und sind durch eine Trennwand 16 voneinander getrennt. Entsprechend den zwei Durchgangskanälen 12, 14 sind auch eine erste und eine zweite Ventilklappe 18, 20 vorgesehen, die jeweils drehfest an der Welle 22 montiert sind. Dabei sind die beiden Ventilklappen 18, 20 vorzugsweise so angeordnet und ausgebildet, dass der erste und der zweite Durchgangskanal 12, 14 durch die erste bzw. die zweite Ventilklappe 18, 20 simultan geöffnet und geschlossen werden können .

Das erste Lager 24 zur drehbaren und gasdichten Lagerung der Welle 22 im Ventilgehäuse 10 ist auf der dem zweiten Durchgangskanal 14 abgewandten Seite des ersten Durchgangskanals 12 vorgesehen, und das zweite Lager 26 zur drehbaren und gasdichten Lagerung der Welle 22 im Ventilgehäuse 10 ist auf der dem ersten Durchgangskanal 12 abgewandten Seite des zweiten Durchgangskanals 14 vorgesehen. Dabei sind das erste und das zweite Lager 24, 26 analog dem obigen ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.

Zusätzlich ist die Welle 22 auch im Bereich der Trennwand 16 zwischen den beiden Durchgangskanälen 12, 14 durch ein weiteres Lager 28 drehbar und gasdicht gelagert. Dieses weitere Lager 28 ist ebenfalls aus einem Material eines keramischen Systems, vorzugsweise aus mit Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid (z.B. ZN40) , gefertigt. Das weitere Lager 28 besitzt aber aus Gründen der Montage bzw. des Zusammenbaus der Ventilvorrichtung im Gegensatz zu den beiden äußeren Lagern 24, 26 eine rein zylindrische Hülsenform.

Die Ventilvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels erzielt die gleichen Vorteile und Wirkungen, wie sie oben in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beschrieben worden sind. Selbstverständlich sind auch die gleichen Modifikationen wie beim ersten Ausführungsbeispiel möglich .