[0001] Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen
mit einem ersten Gehäuse, in dem ein erster Abgaskanal ausgebildet ist, in dem eine
erste Regelklappe mit einem ersten Klappenkörper angeordnet ist, über die ein Abgasstrom
im ersten Abgaskanal regelbar ist, und einem zweiten Gehäuse, in dem ein zweiter Abgaskanal
ausgebildet ist, in dem eine zweite Regelklappe mit einem zweiten Klappenkörper angeordnet
ist, über die ein Abgasstrom im zweiten Abgaskanal regelbar ist, wobei die erste Regelklappe
und die zweite Regelklappe gemeinsam über eine Stellvorrichtung mechanisch gekoppelt
abhängig voneinander betätigbar sind sowie ein Abgaswärmerückgewinnungssystem einer
Verbrennungskraftmaschine mit einer ersten Verzweigung, an der sich ein Abgaskanal
in einen Abgasauslasskanal und einen Bypasskanal, in dem ein Abgaswärmetauscher angeordnet
ist, teilt und mit einer zweiten Verzweigung, an der der Bypasskanal in den Abgasauslasskanal
mündet.
[0002] Derartige Abgasklappenvorrichtungen werden beispielsweise genutzt, um in Abgasrückführsystemen,
in denen ein Abgaswärmetauscher angeordnet ist, der über einen Bypasskanal umgehbar
ist, eine Regelung der Abgasmengen zu erreichen, die über den Abgaswärmetauscher geführt
werden oder über den Bypasskanal geführt werde. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise
aus der
EP 0 987 427 A1 bekannt. Hier sind zwei Klappenkörper im Winkel von 90° zueinander auf einer gemeinsamen
Welle angeordnet, wobei jeder Klappenkörper einen der Kanäle beherrscht. Hierdurch
wird es möglich, eine Abgastemperatur einzustellen, die dem Verbrennungsmotor bei
der Rückführung zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere zum schnelleren Aufheizen
des Motors wird in der Warmlaufphase das Abgas über den Bypasskanal geführt, wodurch
Schadstoffemissionen reduziert werden. Zusätzlich ist ein Abgasrückführventil zur
Mengenregelung vorzusehen.
[0003] Des Weiteren sind zumeist über Gestänge gekoppelte Regelklappe bekannt, bei denen
die Abgasklappe, über welche der Abgasgegendruck im Abgaskanal einstellbar ist, mit
einer Abgasrückführklappe gekoppelt ist. Eine Kombination aus Abgasklappe und Abgasrückführklappe
ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 055 226 A1 bekannt. Hier ist in einer Verzweigung vor dem Abgaskanal und dem Abgasrückführkanal
auf dem Ende einer Welle einer Abgasklappe, im 90° Winkel zur Abgasklappe, ein Schieber
angeordnet, über den der Abgasrückführkanal verschließbar ist. Bei Erhöhung des Abgasgegendrucks
durch Schließen der Abgasklappe wird zusätzlich der durchströmbare Querschnitt des
Abgasrückführkanals vergrößert, wodurch der rückgeführte Abgasanteil erhöht werden
kann, so dass wiederum Schadstoffemissionen verringert werden. In beiden Anwendungen
werden die beiden Abgaskanäle über den gesamten Anwendungsbereich gegenläufig geöffnet
beziehungsweise geschossen.
[0004] Zusätzlich sind in neuerer Zeit Abgaswärmerückgewinnungssysteme bekannt geworden,
bei denen zum Abgasauslasskanal parallel ein Bypasskanal angeordnet wird, in dem ein
Abgaswärmetauscher angeordnet ist. Durch ein derartiges System soll zur Erhöhung des
Komfort in einem Fahrzeug eine schnellere Aufheizung des Kühlwassers des Verbrennungsmotors
und somit eine schnellere, den Kraftstoffverbrauch jedoch kaum erhöhende Aufheizung
der Fahrerkabine nach dem Kaltstart erreicht werden.
[0005] Eine derartiges System ist beispielsweise aus der
DE 203 02 520 U1 bekannt. Dabei wird entweder nur im Abgashauptkanal eine Regelklappe angeordnet oder
die Regelklappe wird in einer Verzweigung vor dem Bypasskanal beziehungsweise dem
Abgaskanal angeordnet. Sie wird dabei als Schwenkklappe ausgebildet, die zwischen
den beiden Endstellungen, in denen sie jeweils einen der Kanäle verschließt, hin und
her- bewegt werden kann. Dies bedeutet, dass jeweils einer der Kanäle vollständig
geöffnet ist, während der Querschnitt des jeweils anderen regelbar ist.
[0006] Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist, dass es nicht möglich ist, nach der
Warmlaufphase des Verbrennungsmotors einen ausreichenden Abgasgegendruck zu erzeugen,
um eine ausreichende Abgasrückführmenge zur Verfügung zu stellen. Auch bei einer Übertragung
der anderen gekoppelten Abgasklappenvorrichtungen auf dieses beschriebene System bleibt
ein im Wesentlichen konstanter Querschnitt zum Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine
geöffnet, wodurch kein ausreichender Abgasgegendruck mehr zur Verfügung gestellt werden
kann.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgasklappenvorrichtung und ein Abgaswärmerückgewinnungssystem
zu schaffen, mit denen ein ausreichender Abgasgegendruck zum Erreichen hoher Abgasrückführraten
sichergestellt werden kann, Sowohl bei der Abgasklappenvorrichtung als auch beim Abgassystem
soll die Bauteileanzahl möglichst gering gehalten werden, so dass Bauraum, Kosten
und Gewicht im Vergleich zu üblichen Ausführungen reduziert werden. Insbesondere sollen
zusätzliche Schnittstellen bei Verwendung eines Abgaswärmerückgewinnungssystems vermieden
werden.
[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Abgasklappenvorrichtung gelöst, bei der in einer ersten
Position die erste Regelklappe den ersten Abgaskanal vollständig freigibt, während
die zweite Regefklappe den zweiten Abgaskanal vollständig verschließt, in einer zweiten
Position die erste Regelklappe den ersten Abgaskanal teilweise verschließt, während
die zweite Regelklappe den zweiten Abgaskanal vollständig verschließt und in einer
dritten Position die erste Regelklappe den ersten Abgaskanal vollständig verschließt,
während die zweite Regelklappe den zweiten Abgaskanal vollständig freigibt. Entsprechend
wird die Aufgabe durch ein Abgaswärmerückgewinnungssystem mit einer derartigen Abgasklappenvorrichtung
gelöst, wobei die erste Regelklappe im als Abgasauslasskanal dienenden ersten Abgaskanal
zwischen den beiden Verzweigungen angeordnet ist und als Abgasklappe dient und die
zweite Regelklappe im als Bypasskanal dienenden zweiten Abgaskanal angeordnet ist
und als Abgaswärmerückgewinnungsventil dient. Es wird somit möglich, die Abgasklappe
im Kanal zu drehen und somit einen Abgasgegendruck einzustellen, ohne dass der Bypasskanal
geöffnet wird. Hierdurch können deutlich verbesserte Abgasrückführraten auch in Abgaswarmerückgewinnungssystemen
erzielt werden. Auf zusätzliche Schnittstellen und Bauteile, die bei Ansteuerung mehrerer
Klappen erforderlich wären, kann weitestgehend verzichtet werden, so dass Kosten reduziert
werden.
[0009] Vorzugsweise verkleinert zwischen der ersten und der zweiten Position die erste Regelklappe
den durchströmbaren Querschnitt des ersten Abgaskanals durch Betätigen der Stellvorrichtung
kontinuierlich, während die zweite Regelklappe den durchströmbaren Querschnitt des
zweiten Abgaskanals verschließt und verkleinert zwischen der zweiten und der dritten
Position die erste Regelklappe den durchströmbaren Querschnitt des ersten Abgaskanals
durch Betätigen der Stellvorrichtung kontinuierlich, während die zweite Regelklappe
den durchströmbaren Querschnitt des zweiten Abgaskanals kontinuierlich vergrößert.
Somit kann zwischen der ersten und der zweiten Position der Abgasgegendruck kontinuierlich
geregelt werden und zwischen der zweiten und dritten Position ohne große Änderungen
des Abgasgegendrucks eine Abgaswärmerückgewinnung zur Verbesserung des Komforts stattfinden.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Innenwand des zweiten Abgaskanals derart
geformt, dass die Innenwand im Wesentlichen dem durch den Außenumfang des zweiten
Klappenkörpers beim Durchfahren des Bereiches zwischen der ersten Position und der
zweiten Position überstrichenen Körper entspricht. Hierdurch kann die zweite Regelklappe
im Abgaskanal über einen definierten Drehwinkel gedreht werden, ohne dass ein durchströmbarer
Querschnitt des Kanals freigegeben wird. So wird auf einfache Weise gleichzeitig der
andauernde Verschluss des zweiten Kanals bei kontinuierlichem Öffnen des ersten Abgaskanals
bei der Drehung von der ersten in die zweite Position über eine direkt gekoppelte
Stellvorrichtung sichergestellt, ohne zusätzliche Kupplungen oder Bewegungsumformer
verwenden zu müssen.
[0011] In einer weiterführenden Ausführungsform ist der Klappenkörper der zweiten Regelklappe
kreisförmig ausgebildet und achssymmetrisch auf einer Welle befestigt oder einstückig
mit der Welle hergestellt und die Innenwand des Abgaskanals weist im Bereich zwischen
der ersten und der zweiten Position der Regelklappe eine Kugelzonenform auf, wobei
die Kugelzone der Innenwand im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist wie
der kreisförmige Klappenkörper, Bei einer derartigen Ausführung werden die auf die
Stellvorrichtung durch den Abgasstrom wirkenden Drehmomente sehr gering gehalten,
so dass kleinere Antriebe verwendet werden können und der Stromverbrauch sinkt. Zusätzlich
ist eine derartige Abgasklappenvorrichtung leicht herstellbar und montierbar.
[0012] Dabei ist es vorteilhaft, eine Eintrittsöffnung des zweiten Gehäuses versetzt zu
einer Austrittsöffnung des zweiten Gehäuses anzuordnen. Dies erleichtert die Herstellung
der Kugelzone, da Hinterschnitte vermieden werden.
[0013] Vorzugsweise sind das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse einstückig hergestellt,
wobei der Klappenkörper der ersten Regelklappe kreisförmig ausgebildet ist und achssymmetrisch
auf einer Welle angeordnet ist. Hierdurch entfallen zusätzliche Montageschritte. Des
Weiteren wird der Einbau im Motor vereinfacht und der benötigte Bauraum minimiert.
[0014] In einer weiterführenden Ausführungsform sind der erste Klappenkörper und der zweite
Klappenkörper auf einer gemeinsamen ein- oder mehrteiligen Welle angeordnet, die über
die Stellvorrichtung betätigbar ist. Es entfallen somit zusätzliche Kopplungsglieder
zwischen Stellvorrichtung und Klappe, wodurch erneut die Bauteileanzahl reduziert
und die Montage erleichtert wird.
[0015] Vorzugsweise verschließt beim Verdrehen der Regelklappen zwischen der zweite und
der dritten Position in einer vierten Position die erste Regelklappe den ersten Abgaskanal
und die zweite Regelklappe den zweiten Abgaskanal vollständig, Durch eine derartige
Ausführung kann der Abgasgegendruck zur weiteren Erhöhung der Abgasrückführrate zusätzlich
verstärkt werden.
[0016] In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform verkleinert zwischen der ersten und
der zweiten Position die erste Regelklappe den durchströmbaren Querschnitt des ersten
Abgaskanals durch Betätigen der Stellvorrichtung kontinuierlich, während die zweite
Regelklappe den durchströmbaren Querschnitt des zweiten Abgaskanals verschließt, verkleinert
zwischen der zweiten und der vierten Position die erste Regelklappe den durchströmbaren
Querschnitt des ersten Abgaskanals durch Betätigen der Stellvorrichtung kontinuierlich
bis dieser verschlossen ist, während die zweite Regelklappe den durchströmbaren Querschnitt
verschließt und verschließt zwischen der vierten und der dritten Position die erste
Regelklappe den durchströmbaren Querschnitt des ersten Abgaskanals vollständig während
die zweite Regelklappe den durchströmbare Querschnitt des zweiten Abgaskanals kontinuierlich
vergrößert. Dies bedeutet, dass in der vierten Position gerade die erste Regelklappe
den Kanal verschließt, während unmittelbar hinter dieser Position die zweite Regelklappe
den Kanal beginnt freizugeben. Damit können beide Kanäle einzeln unabhängig von der
vollständig geschlossenen Position in die vollständig geöffnete Position bewegt werden
und somit der Abgasgegendruck in den Kanälen einzeln eingestellt werden.
[0017] Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass eine Innenwand des ersten Abgaskanals
derart geformt ist, dass die Innenwand im Wesentlichen dem durch den Außenumfang des
ersten Klappenkörpers beim Durchfahren des Bereiches zwischen der vierten und der
dritten Position überstrichenen Körper entspricht und eine Innenwand des zweiten Abgaskanals
derart geformt ist, dass die Innenwand im Wesentlichen dem durch den Außenumfang des
zweiten Kappenkörpers beim Durchfahren des Bereiches zwischen der ersten Position
und der zweiten Position überstrichenen Körper entspricht. So sind für die voneinander
unabhängige Regelung keine zusätzlichen Bewegungsumformer notwendig.
[0018] So ist vorteilhafterweise der Klappenkörper der ersten Regelklappe kreisförmig ausgebildet
und achssymmetrisch auf einer Welle befestigt oder einstückig mit der Welle hergestellt
und die Innenwand des ersten Abgaskanal weist im Bereich zwischen der vierten und
der dritten Position der ersten Regelklappe die Form einer Kugelzone auf, wobei die
Kugelzone der Innenwand im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist wie der
kreisförmige Klappenkörper. So können relativ kleine Aktuatoren verwendet werden.
Der Herstellaufwand bleibt relativ gering.
[0019] In einer bevorzugten Ausführung des Abgaswärmerückgewinnungssystems ist der Abgaswärmetauscher
in einem ersten Abschnitt eines Abgasrückführkanals eines Niederdruckbereiches einer
turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine angeordnet, an dessen Ende eine dritte
Verzweigung angeordnet ist, an der sich der Abgasrückführkanal in einen weiteren Abschnitt
des Abgasrückführkanals, in dem ein Abgasrückführventil angeordnet ist, und einen
Abgaswärmerückgewinnungskanal, in dem das Abgaswärmerückgewinnungsventil angeordnet
ist, teilt, so dass der erste Abschnitt des Abgasrückführkanals und der Abgaswärmerückgewinnungskanal
den Bypasskanal bilden. Hierdurch entfällt im Abgassystem die Notwendigkeit eines
zusätzlichen Wärmetauschers zur Wärmerückgewinnung, wodurch Kosten und Aufwand deutlich
reduziert werden.
[0020] Durch die beanspruchten Ausführungsformen einer Abgasklappenvorrichtung und eines
Abgaswärmerückgewinnungssystems mit einer derartigen Abgasklappenvorrichtung kann
ein Abgasstrom wahlweise gekühlt zur Wärmerückgewinnung oder ungekühlt zum Abgasauslass
geführt werden, wobei gleichzeitig hohe Abgasrückführraten durch einen hohen erreichbaren
Abgasgegendruck sichergestellt werden können. Nach der Warmlaufphase bleibt eine Regelung
des Abgasgegendruckes mit oder Wärmerückgewinnung möglich, obwohl nur eine Stellvorrichtung
zur Verstellung der Abgasklappe und des Abgaswarmerückgewinnungsventils benötigt wird.
Des Weiteren wird ein System vorgeschlagen, bei welchem die Komplexität und die Anzahl
der Bauteile zur Erreichung der vorgenannten Funktionen minimiert werden.
[0021] Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung sowie ein
erfindungsgemäßes Abgaswärmerückgewinnungssystem sind in den Figuren dargestellte
und werden nachfolgend beschrieben.
[0022] Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Abgaswärmerückgewmnungssystems.
[0023] Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Abgasklappenvorrichtung.
[0024] Figuren 3 a) und b) zeigen eine erste Position der beiden Regelklappe der erfindungsgemäßen
Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung entlang der Linien B-B und A-A
der Abgasklappenvorrichtung der Figur 2.
[0025] Figuren 4 a) und b) zeigen eine zweite Position der beiden Regelklappen der erfindungsgemäßen
Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung entlang der Linien B-B und A-A
der Abgasklappenvorrichtung der Figur 2.
[0026] Figuren 5 a) und b) zeigen eine dritte Position der beiden Regelklappe der erfindungsgemäßen
Abgasklappenvorrichtung in geschnittener Darstellung entlang der Linien B-B und A-A
der Abgasklappenvorrichtung der Figur 2.
[0027] Figuren 6 a) und b) zeigen eine weitere Ausführung der beiden Regelklappen mit vier
verschiedenen Positionen der Regelklappe in schematischer Darstellung.
[0028] Das in der Figur 1 dargestellte Abgaswärmerückgewinnungssystem weist einen Abgasauslasskanal
2 auf, in dem ein Dieselpartikelfilter 4 angeordnet ist, der wiederum in Strömungsrichtung
hinter einer nicht dargestellten Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Hinter
dem Dieselpartikeifilter 4 weist das Abgaswärmerückgewinnungssystem eine erste Verzweigung
6 auf, an der vom Abgasauslasskanal 2 ein Abgasrückführkanal 8 abzweigt, in dem ein
Abgaswärmetauscher 10 angeordnet ist, während im weiteren Verlauf des Abgasauslasskanals
2 eine Abgasklappe 12 angeordnet ist. Hinter der Abgasklappe 12 ist eine zweite Verzweigung
14 angeordnet, an der ein Bypasskanal 16 in den Abgasauslasskanal 2 mündet. Das in
den weiterführenden Bereich des Abgasauslasskanals 2 strömende Abgas wird im Folgenden
ausgestoßen.
[0029] Vom Abgasrückführkanal 8 zweigt an einer dritten Verzweigung 18 ein Abgaswärmerückgewinnungskanal
20 ab, der mit einem Abschnitt 22 des Abgasrückführkanals 8, in dem der Abgaswärmetauscher
10 angeordnet ist, den Bypaßkanal 16 bildet. Während im weiteren Abschnitt 21 des
Abgasrückführkanals 8 hinter der dritten Verzweigung 18 beziehungsweise hinter dem
als Bypasskanal 16 dienenden Abschnitt 22 des Abgasrückführkanals 8 im Abgasrückführkanal
8 ein Abgasrückführventil 24 zur Regelung der zu einem Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine
rückgeführten Abgasmenge angeordnet ist, ist im Abgaswärmerückgewinnungskanal 20,
der in die zweite Verzweigung 14 mündet, ein Abgaswärmerückgewinnungsventil 26 angeordnet.
[0030] Der Abgasrückführkanal 8 mündet in einer vierten Verzweigung 28 in einen Ansaugkanal
30 der Verbrennungskraftmaschine der zu einem nicht dargestellten Verdichter des Turboladers
führt.
[0031] Nach Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine gelangt Abgas über die Turbine in das
Abgaswärmerückgewinnungssystem. Zu diesem Zeitpunkt ist die Abgasklappe weitestgehend
ungedrosselt, so dass das Abgas über den Abgasrückführkanal 8 und den Abgaswärmetauscher
10 geführt wird. Durch Öffnen des Abgaswärmerückgewinnungsventils 26 kann sichergestellt
werden, dass unabhängig von der Stellung des Abgasrückführventils 24 eine ausreichende
Menge Abgas über den Abgaswärmetauscher 10 geführt wird, um eine möglichst schnelle
Aufheizung des Kühlmittels zu erreichen. Dieses dient zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums,
so dass durch schnelle Erhöhung der Kühlmitteltemperatur der Komfort durch schnelles
Aufheizen des Fahrzeuginnenraums deutlich erhöht werden kann. Nach Durchlaufen der
Warmlaufphase kann das Abgaswärmerückgewifinungsventil 26 in seine geschlossene Stellung
gedreht werden, so dass über den Abgaswärmerückgewinnungskanal 20 kein Abgas mehr
strömen kann, während die Abgasklappe, 12 zumindest teilweise geöffnet wird, um einen
ausreichenden Abgasausstoß sicherzustellen.
[0032] Je nach Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine ist nach der Warmlaufphase eine
sehr große Abgasmenge zum Ansaugkanal 30 zurückzuführen. Da diese Menge nicht ausschließlich
durch Öffnen des Abgasrückführventils 24 sichergestellt werden kann, wird durch teilweises
Verschließen des Abgasauslasskanals 2 der Abgasgegendruck erhöht, so dass die in den
Abgasrückführkanal 8 einströmende Abgasmenge wächst. Hierbei muss jedoch sichergestellt
werden, dass der Bypasskanal 16 verschlossen bleibt,
[0033] Um die Abgasklappe 12 und das Abgaswärmerückgewinnungsventil 26 über eine einzelne
Stellvorrichtung 32 ansteuern zu können, kann erfindungsgemäß eine in den Figuren
2 bis 5 dargestellte Abgasklappenvorrichtung für ein derartiges Abgaswärmerückgewinnungssystem
verwendet werden.
[0034] Die in der Figur 2 dargestellte Abgasklappenvorrichtung weist ein erstes Gehäuse
34 auf, in dem ein erster Abgaskanal 36 ausgebildet ist, der als Abgasauslasskanal
2 dienen kann und der von einer ersten Regelklappe 38 beherrscht wird, die als Abgasklappe
12 dienen kann.
[0035] Ein zweites Gehäuse 40 ist einteilig mit dem ersten Gehäuse 34 ausgebildet und formt
einen zweiten Abgaskanals 42, in dem wiederum eine zweite Regelklappe 44 angeordnet
ist, die als Abgaswärmerückgewinnungsventil 26 dienen kann und in den Figuren 3 bis
5 erkennbar ist.
[0036] Die Regelklappen 38, 44 bestehen jeweils aus einem Klappenkörper 46, 48, wobei die
Klappenkörper 46, 48 auf einer gemeinsamen Welle 50 befestigt sind, die im Gehäuse
34, 40 drehbar gelagert ist und deren erstes Ende sich durch eine Kanalwand 52 des
ersten Abgaskanals 36 in Richtung der Stellvorrichtung 32 erstreckt, über die die
Welle 50 und damit die Regelklappen 38, 44 in Drehung versetzbar sind. Als Antrieb
der Stellvorrichtung 32 dient in vorliegender Ausführung ein Elektromotor 54, der
mit einem nicht dargestellten Getriebe in einer Aufnahmekammer eines Stellergehäuses
55 angeordnet ist, welche über einen Deckel 56 verschlossen ist. Zusätzlich ist zwischen
der Welle 50 und dem Stellergehäuse 55 eine Drehfeder 57 angeordnet, die als Notlauffeder
dient und somit bei Ausfall der Stellvorrichtung 32 die Regelklappen 38, 44 in eine
Notlaufstellung zurückdreht.
[0037] Wie in den Figur 3 bis 5 zu erkennen ist, sind in vorliegendem Ausführungsbeispiel
die beiden Klappenkörper 46, 48 etwa um 45° verdreht zueinander auf der Welle 50 angeordnet,
wobei sowohl die Klappenkörper 46, 48 als auch die Querschnitte der Abgaskanäle 36,
42 im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind. Die Klappenkörper 46, 48 sind achssymmetrisch
auf der Welle 50 befestigt.
[0038] Aus den Figuren 3a) bis 5a) wird ersichtlich, dass der erste Abgaskanal 36 im Wesentlichen
gerade verläuft, also einen gleichbleibenden Querschnitt ohne Umlenkungen aufweist.
[0039] Im Vergleich hierzu wird aus den Figuren 3b) bis 5b) deutlich, dass der zweite Abgaskanal
42 eine zu einer Eintrittsöffnung 58 unter einem Winkel von ca. 65° angestellte Austrittsöffnung
60 aufweist. Die den Abgaskanal 42 begrenzenden Innenwände 62 weisen über einen vordefinierten
Bereich eine Kugelform auf, bilden also eine Kugelzone 64, deren Durchmesser im Wesentlichen
dem Durchmesser eines Außenumfangs 66 des zweiten Klappenkörpers 48 entspricht. Die
Folge dieser Ausformung wird im Folgenden anhand der Figuren 3 bis 5 erklärt.
[0040] In den Figuren 3a) und b) ist eine erste Position der ersten Regelklappe 38 im ersten
Gehäuse 34 sowie die zugehörige Position der zweiten Regelklappe 44 im zweiten Gehäuse
40 dargestellt. Der erste Abgaskanal 36 ist in dieser Position vollständig geöffnet,
während der zweite Abgaskanal 42 durch die zweite Regelklappe 44 vollständig verschlossen
ist.
[0041] In der in den Figuren 4a) und 4b) dargestellten zweiten Position wurden beide Regelklappe
38, 44 um einen definierten Winkel über die Welle 50 mittels der Stellvorrichtung
32 in ihren Abgaskanälen 36, 42 verdreht, Der erste Abgaskanal 36 wird in dieser Position
durch die erste Regelklappe 38 teilweise verschlossen, so dass bei einer Verwendung
als Abgasklappe 12 ein erhöhter Gegendruck im in Strömungsrichtung vor der Regelklappe
38 liegenden Bereich erzeugt wird. Gleichzeitig wird der zweite Abgaskanal 42 weiterhin
durch die zweite Regelklappe 44 verschlossen, da der Umfang des Kappenkörpers 48 weiterhin
an der Innenwand 62 liegt. Dies wird durch die Kugelzone 64 erreicht, an der der Klappenkörper
48 zwischen der ersten Position und der zweiten Position entlang geführt wird. Dies
bedeutet, dass zwischen der ersten und der zweiten Position der durchströmbare Querschnitt
des ersten Abgaskanals 36 kontinuierlich verkleinert wird, während der zweite Abgaskanal
42 verschlossen bleibt. In dieser zweiten Position ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
das Ende der Kugelzone 64 erreicht, so dass bei weiterer Drehung der zweiten Regelklappe
44 der zweite Abgaskanal 42 langsam geöffnet wird.
[0042] Die Endstellung nach der Drehung von der zweiten Position in eine dritte, als Endposition
dienende, Position ist in den Figuren 5 a) und b) dargestellt. Die erste Regelklappe
38 befindet sich in ihrer den Abgaskanal 26 vollständig verschließenden Position.
Der verkleinerte durchströmbare Querschnitt der zweiten Position wurde somit beim
Verfahren des Kappenkörpers 46 kontinuierlich weiter bis in die Verschlusssteilung
verkleinert. Bei dieser Drehung von der zweiten Position in die dritte Position wird
jedoch der durchströmbare Querschnitt des zweiten Abgaskanals 42 kontinuierlich vergrößert
bis er in der Endstellung vollständig freigegeben wird. Bei Parallelschaltung der
beiden Kanäle folgt daraus, dass der Abgasstrom im zweiten Abgaskanal 42 wächst, während
er im ersten Abgaskanal 36 geringer wird bis schließlich der vollständige Abgasstrom
über den zweiten Abgaskanal 42 geführt wird.
[0043] In den Figuren 6a) und b) sind die verschiedenen Steigungen der beiden Regelklappen
38, 44 in einem weiterführenden beziehungsweise alternativen Ausführungsbeispiel schematisch
dargestellt. Im Vergleich zur Ausführung gemäß der Figuren 3a) bis 5b) weist in dieser
Ausführung auch der erste Abgaskanal 36 eine Kugelzone 68 auf, deren Innenwand 70
wiederum der vom äußeren Umfang des Kappenkörpers 46 der ersten Regelklappe 38 überstrichenen
Fläche zwischen einer vierten und der dritten Position im Wesentlichen entspricht.
In dieser vierten Position ist die erste Regelklappe 38 gerade in ihrem geschlossenen
Zustand während die zweite Regelklappe 44 gerade noch den zweiten Abgaskanal 42 verschließt,
Daraus folgt, dass zunächst bei der Bewegung zwischen der ersten und der zweiten Position
die erste Regelklappe 38 aus ihrer vollständig geöffneten Position in eine den freien
Querschnitt des ersten Abgaskanals 36 langsam verschließende Stellung bewegt wird,
während die zweite Regelklappe den zweiten Abgaskanal 42 verschließt. Diese Bewegung
wird bis zur vierten Position fortgesetzt. Bei Weiterdrehen der Regelklappen 38, 44
aus der vierten Position in Richtung der dritten Position bleibt daraufhin der erste
Abgaskanal 36 vollständig verschlossen, während der freie Querschnitt des zweiten
Abgaskanal 42 kontinuierlich vergrößert wird bis dieser in der dritten Position der
zweiten Regelklappe 44 vollständig geöffnet ist.
[0044] Im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Ausführung wird es somit möglich, den ersten
Abgaskanal 36 vollständig zu drossel und somit den Gegendruck und damit wiederum die
Abgasrückführrate zusätzlich zu erhöhen. Des Weiteren sind beide Abgaskanäle 36, 42
einzeln zu regeln.
[0045] Es wird somit eine Abgasklappenvorrichtung geschaffen, mit der eine erste Regelklappe
zur Druckerhöhung in einem ersten Abgaskanal in eine teilweise oder vollständig den
Kanal verschließende Stellung verdreht werden kann, ohne die zweite direkt mechanisch
gekoppelte Abgasklappe in eine den Kanal öffnende Stellung zu verdrehen. Ebenso ist
es möglich, die zweite Regelklappe aus ihrer geschlossenen Stellung in eine den Kanal
freigebende Stellung zu drehen, ohne dass die erste Regelklappe den Querschnitt freigibt.
Je nach gewählter Ausführung kann auch eine voneinander abhängige Regelung der beiden
Regelklappe über einen vorbestimmten Drehwinkel realisiert werden. Dies wird innerhalb
eines Gehäuses mit nur einer Stellvorrichtung erreicht, wobei beide Klappen direkt
drehfest gekoppelt sind, also miteinander verdreht werden. Entsprechend eignet sich
diese Abgasklappenvorrichtung bei einer Verwendung zur Abgaswärmerückgewinnung zur
Erhöhung des rückgeführten Abgases bei einer Verbrennungskraftmaschine, Zusätzlich
wird ein System präsentiert, mit welchem eine Abgaswärmerückgewinnung ohne zusätzlichen
Wärmetauscher erreicht wird.
[0046] Selbstverständlich lässt sich der Grenzdrehwinkel der beiden Klappen entsprechend
der zweiten beziehungsweise der vierten Position, bei dem die zweite Regelklappe beginnt
den Querschnitt zu Öffnen, durch entsprechende Gestaltung der Kugelzonen sowie der
Stellung der Einlassöffnungen zu den Auslassöffnungen an die Bedürfnisse und den Einsatzfall
der Abgasklappenvorrichtung anpassen. Während im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Kugelzone etwa einen Winkel von 45° einschließt, lässt sich dieser selbstverständlich
auch vergrößern oder verkleinern. Auch wäre es möglich, die Kugelzone zu drehen, so
dass Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung einander gegenüberliegen oder nur versetzt
zueinander auf einer unterschiedlichen Höhe angeordnet sind, ohne dass ein Winkel
zwischen ihnen gebildet wird.
[0047] Verschiedene weitere konstruktive Änderungen im Vergleich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind denkbar, so beispielsweise eine nicht zentrische Lagerung einer oder beider Klappen,
eine andere Anordnung der Gehäuse zueinander oder der Stellvorrichtung zum Gehäuse.
Vordringlich ist es erfindungsgemäß lediglich notwendig, ein Öffnen der zweiten beziehungsweise
der ersten Regelklappe beim Schließen der ersten beziehungsweise der zweiten Regelklappe
zu verzögern, ohne Gestänge, Koppelgetriebe oder mehrere Stellvorrichtungen verwenden
zu müssen. Auch wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung auch
für andere Abgaswärmerückgewinnungssysteme geeignet ist, die beispielsweise einen
gesonderten Bypasszweig mit zusätzlichem Wärmetauscher verwenden.
1. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einem ersten Gehäuse, in
dem ein erster Abgaskanal ausgebildet ist, in dem eine erste Regelklappe mit einem
ersten Klappenkörper angeordnet ist, über die ein Abgasstrom im ersten Abgaskanal
regelbar ist, und einem zweiten Gehäuse, in dem ein zweiter Abgaskanal ausgebildet
ist, in dem eine zweite Regelklappe mit einem zweiten Klappenkörper angeordnet ist,
über die ein Abgasstrom im zweiten Abgaskanal regelbar ist, wobei die erste Regelklappe
und die zweite Regelklappe gemeinsam über eine Stellvorrichtung mechanisch gekoppelt
abhängig voneinander betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Position die erste Regelklappe (12, 38) den ersten Abgaskanal (2,
36) vollständig freigibt, während die zweite Regelklappe (26, 44) den zweiten Abgaskanal
(16, 42) vollständig verschließt, in einer zweiten Position die erste Regelklappe
(12, 38) den ersten Abgaskanal (2, 36) teilweise verschließt, während die zweite Regelklappe
(12, 38) den zweiten Abgaskanal (16, 42) vollständig verschließt und in einer dritten
Position die erste Regelklappe (12, 38) den ersten Abgaskanal (2, 36) vollständig
verschließt, während die zweite Regelklappe (26, 44) den zweiten Abgaskanals (16,
42) vollständig freigibt.
2. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Position die erste Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren
Querschnitt des ersten Abgaskanals (2, 36) durch Betätigen der Stellvorrichtung (32)
kontinuierlich verkleinert, während die zweite Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren
Querschnitt des zweiten Abgaskanals (16, 42) verschließt und zwischen der zweiten
und der dritten Position die erste Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren Querschnitt
des ersten Abgaskanals (2, 36) durch Betätigen der Stellvorrichtung (32) kontinuierlich
verkleinert, während die zweite Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren Querschnitt
des zweiten Abgaskanals (16, 42) kontinuierlich vergrößert.
3. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand (62) des zweiten Abgaskanals (16, 42) derart geformt ist, dass die
Innenwand (62) im Wesentlichen dem durch den Außenumfang des zweiten Klappenkörpers
(48) beim Durchfahren des Bereiches zwischen der ersten Position und der zweiten Position
überstrichenen Körper entspricht.
4. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenkörper (48) der zweiten Regelklappe (26, 44) kreisförmig ausgebildet ist
und achssymmetrisch auf einer Welle (50) befestigt oder einstückig mit der Welle (50)
hergestellt ist und die Innenwand (62) des zweiten Abgaskanals (16, 42) im Bereich
zwischen der ersten und der zweiten Position der zweiten Regelklappe (26, 44) die
Form einer Kugelzone (64) aufweist, wobei die Kugelzone (64) der Innenwand (62) im
Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist wie der kreisförmige Klappenkörper
(48).
5. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsöffnung (58) des zweiten Gehäuses (40) versetzt zu einer Austrittsöffnung
(60) des zweiten Gehäuses (40) angeordnet ist.
6. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (34) und das zweite Gehäuse (42) einstückig hergestellt sind, wobei
der Klappenkörper (46) der ersten Regelklappe (12, 38) kreisförmige ausgebildet ist
und achssymmetrisch auf einer Welle (50) angeordnet ist.
7. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Klappenkörper (46) und der zweite Klappenkörper (48) auf einer gemeinsamen
ein- oder mehrteiligen Welle (50) angeordnet sind, die über die Stellvorrichtung (32)
betätigbar ist.
8. AbgaskJappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verdrehen der Regelklappe (12; 38, 26; 44) zwischen der zweiten und der dritten
Position in einer vierten Position die erste Regelklappe (12, 38) den ersten Abgaskanal
(2, 36) und die zweite Regelklappe (26, 44) den zweiten Abgaskanal (16, 42) vollständig
verschließen.
9. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Position die erste Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren
Querschnitt des ersten Abgaskanals (2, 36) durch Betätigen der Stellvorrichtung (32)
kontinuierlich verkleinert, während die zweite Regelklappe (26, 44) den durchströmbaren
Querschnitt des zweiten Abgaskanals (16, 42) verschließt, zwischen der zweiten und
der vierten Position die erste Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren Querschnitt
des ersten Abgaskanals (2, 36) durch Betätigen der Stellvorrichtung (32) kontinuierlich
verkleinert bis dieser verschlossen ist, während die zweite Regelklappe (26, 44) den
durchströmbaren Querschnitt verschließt und zwischen der vierten und der dritten Position
die erste Regelklappe (12, 38) den durchströmbaren Querschnitt des ersten Abgaskanals
(2, 36) vollständig verschließt während die zweite Regelklappe (26, 44) den durchströmbaren
Querschnitt des zweiten Abgaskanals (16, 42) kontinuierlich vergrößert.
10. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 8
oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand des ersten Abgaskanals (2, 36) derart geformt ist, dass die Innenwand
im Wesentlichen dem durch den Außenumfang des ersten Klappenkörpers (46) beim Durchfahren
des Bereiches zwischen der vierten und der dritten Position überstrichenen Körper
entspricht und eine Innenwand (62) des zweiten Abgaskanal (16, 42) derart geformt
ist, dass die Innenwand (62) im Wesentlichen dem durch den Außenumfang des zweiten
Klappenkörpers (48) beim Durchfahren des Bereiches zwischen der ersten Position und
der zweiten Position überstrichenen Körper entspricht.
11. Abgasklappenvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 8
bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenkörper (46) der ersten Regelklappe (12, 38) kreisförmig ausgebildet ist
und achssymmetrisch auf einer Welle (50) befestigt oder einstückig mit der Welle (50)
hergestellt ist und die Innenwand des ersten Abgaskanals (2, 36) im Bereich zwischen
der vierten und der dritten Position der ersten Regelklappe (12, 38) die Form einer
Kugelzone aufweist, wobei die Kugelzone der Innenwand im Wesentlichen den gleichen
Durchmesser aufweist wie der kreisförmige Klappenkörper (46).
12. Abgaswärmerückgewinnungssystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einer ersten Verzweigung,
an der sich ein Abgaskanal in einen Abgasauslasskanal und einen Bypasskanal, in dem
ein Abgaswärmetauscher angeordnet ist, teilt und mit einer zweiten Verzweigung, an
der der Bypasskanal in den Abgasauslasskanal mündet, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaswärmerückgewinnungssystem eine Abgasklappenvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche angeordnet ist, wobei die erste Regelklappe (38) im als Abgasauslasskanal
(2) dienenden ersten Abgaskanal (36) zwischen den beiden Verzweigungen (6; 14) angeordnet
ist und als Abgasklappe (12) dient und die zweite Regelklappe (44) im als Bypaßkanal
(16) dienenden zweiten Abgaskanal (42) angeordnet ist und als Abgaswärmerückgewinnungsventil
(26) dient.
13. Abgaswärmerückgewinnungssystem einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (10) in einem ersten Abschnitt (22) eines Abgasrückführkanals
(8) eines Niederdruckbereiches einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine angeordnet
ist, an dessen Ende eine dritte Verzweigung (18) angeordnet ist, an der sich der Abgasrückführkanal
(8) in einen weiteren Abschnitt (21) des Abgasrückführkanals (8), in dem ein Abgasrückführventil
(24) angeordnet ist, und einen Abgaswärmerückgewinnungskanal (20), in dem das Abgaswärmerückgewinnungsventil
(26) angeordnet ist, teilt, so dass der erste Abschnitt (22) des Abgasrückführkanals
(8) und der Abgaswärmerückgewinnungskanal (20) den Bypasskanal (16) bilden.