Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung mit einem Strömungsgehäuse mit einem regelbaren Durchströmungsquerschnitt, einem Aktor, einem Klappenkörper, einer Welle, auf der der Klappenkörper befestigt ist und die über den Aktor drehbar ist, einem separaten, im Strömungsgehäuse befestigten Dichtring, der den regelbaren Durchströmungsquerschnitt umgibt und gegen den der Klappenkörper zum Schließen des Durchströmungsquerschnitts anliegt.

Derartige Klappenvorrichtungen werden insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet, um Luft- oder Abgasströme zu regeln. Es handelt sich dabei insbesondere um besonders dichte Klappen, die sowohl geeignet sind, an Verbrennungsmotoren angebracht zu werden als auch in den Luft- oder Wasserstoffkreisläufen eines Brennstoffzellenantriebs.

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung entstehen häufig im Antriebsstrang Kondensate durch die Feuchtigkeit in der Luft, im Abgas oder den in der Brennstoffzelle notwendigen Wasseranteil. Diese Kondensate führen bei niedrigen Temperaturen insbesondere beim Kaltstart eines Fahrzeugs zu Problemen, da sie sich häufig zwischen dem bewegbaren Regelkörper und dem Ventilsitz sammeln und dort gefrieren. Durch gewaltsames Lösen des Regelkörpers vom Ventilsitz durch eine entsprechende Aktuierung des Aktors mit großer Kraft, entstehen jedoch unter Umständen Schäden durch Risse oder Kontraktionen an den Dichtringen, die den Ventilsitz bilden, was insbesondere dann zu befürchten ist, wenn ein elastischer Kunststoffdichtring als Ventilsitz verwendet wird, der häufig für eine ausreichende Dichtigkeit der Klappenvorrichtung notwendig ist. Eine solche Klappenvorrichtung mit einem separaten elastischen Dichtring ist beispielsweise aus der DE 92 17 697 Ul bekannt, jedoch ist diese Klappenvorrichtung hoch empfindlich gegen ein Festfrieren des Klappenkörpers am Dichtring. Entsprechend müssen zur Erzeugung ausreichend großer Losbrechmomente auch starke und groß bauende Aktoren verwendet werden, um eine Funktion der Klappe beim Kaltstart sicherzustellen.

Ein anderer Weg solche groß bauenden Aktoren zu vermeiden, ist für Hubventile beispielsweise aus der DE 198 01 387 Al bekannt. Diese offenbart ein als Hubventil ausgeführtes Abgasrückführventil, in dessen Strömungsgehäuse im Bereich der Ventilsitze PTC-Heizelemente angeordnet sind, die verhindern sollen, dass der Regelkörper des Abgasrückführventils nach dem Kaltstart am Ventilsitz kleben bleibt. Die Heizelemente befinden sich dabei entweder innerhalb der Gehäusewände oder das metallische Heizelement selbst bildet die Ventilsitzfläche.

Während also im erstgenannten Fall kein sicherer Schutz gegen ein Festfrieren des Klappenkörpers gewährleistet wird, ist im zweiten Fall die Dichtwirkung bei Auflage des Ventilkörpers beispielsweise für die Verwendung in einem Brennstoffzellenkreislauf nicht ausreichend und auch die erreichbaren Volumenströme sind beschränkt. So werden keine ausreichenden Durchströmungsquerschnitte mit einem solchen Hubventil zur Verfügung gestellt. Des Weiteren muss bei Schäden im Bereich des Heizelementes das gesamte Gehäuse ausgetauscht werden, wodurch ein unerwünschter zusätzlicher Kostenaufwand entsteht.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung bereit zu stellen, mit welcher eine sehr gute Dichtigkeit beim Verschluss des Durchströmungsquerschnitts, also bei Auflage des Klappenkörpers auf der Sitzfläche, gewährleistet wird und ein ausreichend großer Volumenstrom bei geöffnetem Ventil gewährleistet werden können. Zusätzlich soll ein Schutz vor einem Festfrieren des Klappenkörpers an der Sitzfläche bei einem Kaltstart und Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt sichergestellt werden. Des Weiteren soll ein optionaler Verbau sowie ein Austausch des Heizelementes und möglichst auch des Ventilsitzes realisiert werden können, ohne dass das gesamte Gehäuse der Klappenvorrichtung ausgebaut und ausgetauscht werden muss.

Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung weist ein Strömungsgehäuse mit einem Einlass, einem Auslass und einem durchströmbaren Kanalabschnitt auf. Des Weiteren besteht die Klappenvorrichtung aus einem Aktor, der insbesondere als Elektromotor mit einem daran angeschlossenen Getriebe ausgebildet sein kann. Dieser Aktor betätigt, beispielsweise über das Getriebe, eine Welle, die in den Kanalabschnitt ragt und auf der ein Klappenkörper befestigt ist, so dass bei Betätigung des Aktors dessen Drehbewegung über das Getriebe untersetzt auf diesen Klappenkörper übertragen wird, wodurch dieser zwischen einer Offenstellung, in der er einen regelbaren Durchströmungsquerschnitt im Kanalabschnitt weitestgehend freigibt und einer den Durchströmungsquerschnitt verschließenden Stellung, in der der Klappenkörper auf einem Dichtring aufliegt, der den regelbaren Durchströmungsquerschnitt umgibt, bewegt werden kann. Der Dichtring dient entsprechend als Sitzfläche für den Klappenkörper. Erfindungsgemäß weist dieser Dichtring eine zumindest teilringförmige Kontaktfläche zu einem Heizelement auf, so dass diese eine direkte Heizwirkung auf diesen ausüben kann. So kann bei Verwendung der Klappenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, welches bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt abgestellt wird, ein festgefrorener Klappenkörper vor dem Kaltstart durch Bestromen des Heizelementes gelöst werden. Dabei wirkt das Heizelement direkt auf die Sitzfläche, so dass ein hoher Wirkungsgrad entsteht und das Eis in kurzer Zeit aufgelöst werden kann. Der Dichtring und auch der Klappenkörper können auf diese Weise vor Schäden durch das Anhaften geschützt werden, was insbesondere bei Verwendung elastischer Berührungsflächen zwischen Klappenkörper und Dichtring ohne Verwendung des Heizelementes zu befürchten wäre. Des Weiteren können kleinere Aktoren verwendet werden, da keine Losbrechmomente erzeugt werden müssen. Auf diese Weise sinkt auch der Energieverbrauch des Aktors im Betrieb. Der Dichtring und das Heizelement können auch bei auftretenden Schäden aus dem Strömungsgehäuse entfernt und ersetzt werden.

Vorzugsweise ist das Heizelement ein Heizdraht mit zumindest einer Anschlussleitung, der bei Bestromung durch seinen Widerstand Wärme erzeugt, die direkt an den Dichtring abgegeben wird. Die Verwendung eines Heizdrahtes hat auch den Vorteil, dass dieser leicht montierbar ist und nur wenig zusätzlichen Bauraum benötigt. Im Übrigen reagiert eine solche elektrische Beheizung sehr schnell. Die Anschlussleitung muss zumindest indirekt mit einer Stromquelle verbunden sein.

Vorteilhafterweise umgibt der Heizdraht den Dichtring unmittelbar. Der Dichtring und der Heizdraht können entweder vor dem Einbau in das Strömungsgehäuse aneinander befestigt werden oder der Heizdraht wird separat zunächst in das Strömungsgehäuse eingesetzt. In beiden Fällen ergibt sich ein Aufbau, bei dem eine Demontage aus dem Strömungsgehäuse des Heizdrahtes und des Dichtringes möglich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dichtring ein elastischer Dichtring aus Kunststoff ist. Dieser Kunststoff kann insbesondere Silikon, Ethylen- Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk, Fluor-Kautschuk (FKM) oder ein hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk sein. Durch einen solchen Dichtring kann auch bei Klappenventilen eine hohe Dichtigkeit bei Auflage des Klappenkörpers auf dem Dichtring erzielt werden, der sich durch seine Elastizität der Form des Klappenkörpers angleicht und so vorhandene Toleranzen und Unebenheiten ausgleicht. Die sonst vorhandene Empfindlichkeit gegen Schäden bei einem Anhaften des Klappenkörpers am Ventilsitz wird durch das Heizelement deutlich reduziert, so dass durch diese Kombination eine sehr lange Haltbarkeit einer solchen dichten Klappenvorrichtung erreicht wird.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Heizelement ein Heizdraht, der im Dichtring eingespritzt ist. Somit entfällt zwar eine einzelne Demontage und Ersetzbarkeit, jedoch wird die Montage vereinfacht und der Heizdraht wird durch das umgebende Material des Dichtringes vor Schäden geschützt. Des Weiteren wird auf diese Weise die Heizquelle noch näher zur Auflagefläche verschoben, wodurch die Aufheizgeschwindigkeit und damit die Auflösung vorhandener Eispartikel zusätzlich beschleunigt wird.

Des Weiteren kann der Dichtring vorteilhaftweise als Lippendichtring ausgeführt sein. Ein solcher Lippendichtring führt zu sehr guten Dichtungseigenschaften, so dass die Klappenvorrichtung bei Aufliegen des Klappenkörpers auf dem Dichtring beinahe leckagefrei ist.

In einer hierzu weiterführenden Ausführung kann das Heizelement in einer axialen Ringnut des Dichtrings angeordnet werden. Bei Verwendung eines Lippendichtringes kann der Heizdraht in der Nut zwischen den beiden Schenkeln angeordnet werden. Dies erleichtert die Montage, wobei dennoch eine einzelne Demontage und damit ein einzelner Austausch der Komponenten erfolgen kann. Zusätzlich wird so eine unmittelbare Nähe zur Sitzfläche mit dem Vorteil einer schnelleren Aufheizung hergestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Heizelement mit einem Kunststoff umspritzt ist, wobei zwei Anschlusskontakte aus dem Kunststoff ragen, wobei das umspritzte Heizelement eine Kontaktfläche zum Dichtring aufweist. Entsprechend entsteht eine direkte Wärmeleitung zum Lippendichtring. Dennoch bleibt die Optionalität erhalten, so dass das Ventil mit oder ohne Heizelement aufgebaut werden kann, ohne die Konstruktion oder einzelne Bauteile ändern zu müssen. Die Kontaktierung kann direkt über die beiden aus dem Kunststoff hinausragenden Anschlusskontakte erfolgen, die dann gegen entsprechende Stanzkammfederenden im Gehäuse gedrückt werden können.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Strömungsgehäuse einen Einlassstutzen und einen Auslassstutzen aufweist, wobei entweder der Einlassstutzen oder der Auslassstutzen axial gegen den Dichtring anliegt, wodurch dieser befestigt wird. Entsprechend ist am Strömungsgehäuse ein Absatz vorzusehen, gegen den der Dichtring geschoben wird, um durch folgendes Einschieben des Einlassstutzens oder Auslassstutzens gegen den Dichtring in seiner Lage am Anschlag fixiert wird. So kann eine besonders einfache Austauschbarkeit realisiert werden.

In entsprechender Weise kann auch das Heizelement fixiert werden, indem das Strömungsgehäuse einen Einlassstutzen oder Auslassstutzen aufweist, der axial gegen das Heizelement anliegt, nachdem der Einlassstutzen oder der Auslassstutzen gegen das Heizelement geschoben wurde, welches an einem Absatz oder aber axial am Dichtring anliegen kann.

Um eine automatische Regelung des Heizdrahtes zu verwirklichen, kann in der Anschlussleitung des Heizelementes ein Bimetallelement angeordnet werden, welches eine elektrische Verbindung zum Heizelement bei Unterschreiten einer Grenztemperatur herstellt und bei Überschreiten der Grenztemperatur unterbricht, so dass lediglich bei tatsächlich auftretenden Temperaturen, bei denen ein Gefrieren des Kondensats an der Sitzfläche zu befürchten ist, auch eine Beheizung erfolgt. Ein unnötiger Energieverbrauch wird auf diese Weise vermieden.

In einer hierzu alternativen Ausführung ist in der Anschlussleitung des Heizelementes ein PTC-Element angeordnet, dessen Leitfähigkeit mit sinkender Temperatur steigt, so dass die Bestromung und damit die Heizwirkung mit fallender Temperatur gesteigert wird. So kann ein Auflösen von Vereisungen auch bei extremen Minustemperaturen sichergestellt werden, während bei Temperaturen um den Gefrierpunkt geringer bestromt wird, da das Eis deutlich einfacher aufgelöst werden kann. Sowohl bei der Verwendung des PCT- Elementes als auch beim Bimetallelement können zusätzliche Schalter im Steuergerät zum Beenden der Bestromung vorgesehen werden.

In einer weiteren Alternative oder weiterführenden Ausbildung weist die Klappenvorrichtung einen Positionssensor auf, der eine von der Position des Klappenkörpers abhängige Ausgangsspannung erzeugt, welche bei Aufliegen des Klappenkörpers auf dem Dichtring maximal ist, und der mit einem Gateanschluss eines Mosfets verbunden ist, der in der Anschlussleitung des Heizelementes angeordnet ist. So kann automatisch sichergestellt werden, dass nur dann eine Beheizung des Dichtringes und damit der Sitzfläche erfolgt, wenn der Klappenkörper auch tatsächlich auf dem Dichtring aufliegt beziehungsweise sich in dessen Nähe befindet. Dies kann zusätzlich zur temperaturabhängigen Steuerung erfolgen oder einzeln.

Vorzugsweise liegt der Klappenkörper beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors oder eines Brennstoffzellensystems auf dem Dichtring auf. So wird sichergestellt, dass sich keine größeren Eisbrücken bilden, die eine länger währende Auflösung benötigen. Des Weiteren wird bei Verwendung der Schaltung über den Mosfet sichergestellt, dass eine Bestromung erfolgt. Alternativ kann auch im ausgeschalteten Zustand eine offene Klappe vorgesehen werden, was eine Eisbrückenbildung im ausgeschalteten Zustand reduziert. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen muss jedoch häufig ein Strömen von Kondensat zur Brennstoffzelle im abgeschalteten Zustand verhindert werden.

Um des Weiteren sicher zu stellen, dass kein unnötiger Energieverbrauch erfolgt, nachdem das Eis aufgelöst ist, wird in einer Steuereinheit der Klappenvorrichtung eine maximale Bestromungszeit für das Heizelement hinterlegt. Eine Bestromung nach dem Kaltstart im Betrieb findet entsprechend nicht statt. Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung zeichnet sich entsprechend durch eine lange Lebensdauer bei Erhalt einer hohen Dichtigkeit im geschlossenen Zustand also bei Auflage des Klappenkörpers auf dem Dichtring aus. Dies wird erreicht, indem eine Eisbrückenbildung rechtzeitig aufgelöst wird, wozu jedoch der notwendige Stromverbrauch auf ein Minimum reduziert wird. Das Heizelement und auch der Dichtring sind einfach montierbar und demontierbar.

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

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung in teilweise geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt eine um 90° gedrehte Ansicht der Klappenvorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Kopfansicht der Klappenvorrichtung aus den Figuren 2 und 3 mit geöffnetem Getriebedeckel.

Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt A aus Figur 1.

Die in den Figuren dargestellte Klappenvorrichtung besteht aus einem Aktorgehäuse 10, in dem ein Aktor 12 angeordnet ist und einem Strömungsgehäuse 14, welches von einem zu regelnden Gasstrom durchströmbar ist. Ein erstes Gehäuseteil 16 bildet dabei das Aktorgehäuse 10 und einen Abschnitt 17 des Strömungsgehäuses 14 aus, in dem ein regelbarer Durchströmungsquerschnitt 18 ausgebildet ist, der von einem einen Ventilsitz ausbildenden Dichtring 20 umgeben ist. Das erste Gehäuseteil 16 weist eine Aufnahme 22 für einen Elektromotor 24 sowie eine Getriebeaufnahme 26 für ein als Stirnradgetriebe ausgebildetes Getriebe 28 auf. Die Getriebeaufnahme 26 wird durch einen Deckel 30 geschlossen. Parallel zur Drehachse des Elektromotors 24 erstreckt sich durch das erste Gehäuseteil 16 eine Bohrung 32, durch welche eine Welle 34, die das Abtriebsglied des Getriebes 28 bildet, in den Abschnitt 17 des Strömungsgehäuses 14 ragt. Auf dieser Welle 34 ist ein Klappenkörper 36 befestigt, der entsprechend bei Betätigung des Aktors 12 im durch das Strömungsgehäuse 14 ausgebildeten Kanal 38 gedreht wird.

Das Strömungsgehäuse 14 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Einlassstutzen 40 und einen Auslassstutzen 42 auf, die den Kanal 38 beidseits des Abschnitt 17 des Strömungsgehäuses 14 axial verlängern. Bei der Montage des Einlassstutzens 40 wird dieser in den Abschnitt 17 und mit einem axial am Einlassstutzen 40 anliegenden zweiten Dichtring 44 gegen den Dichtring 20 geschoben. Der Dichtring 20 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als elastischer Lippendichtring aus Kunststoff ausgeführt, so dass der Klappenkörper 36 bei Drehung gegen den Dichtring 20 geschoben wird, der geringfügig kompressibel ist, so dass bei Anlage des Klappenkörpers 36 ein dichter Verschluss des Kanals 38 erreicht wird.

Erfindungsgemäß ist zwischen den Dichtringen 20, 44 ein als Heizdraht ausgebildetes Heizelement 48 angeordnet, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei im Wesentlichen ringförmige Kontaktflächen 50 zum Dichtring 20 aufweist, da das Heizelement 48 zwei Wicklungen aufweist. Alternativ wäre es jedoch auch möglich das Heizelement 48 in einer radial äußeren Ringnut oder in einer Nut zwischen den Schenkeln des Dichtrings 20 anzuordnen oder lediglich von außen unmittelbar gegen den Dichtring 20 anliegen zu lassen. Auch ein Umspritzen des Heizelementes 48 bei der Herstellung des Dichtrings 20 ist möglich.

Vom Heizelement 48 erstreckt sich eine nicht sichtbare elektrische Anschlussleitung zu einem Stecker 54 der Klappenvorrichtung, über den das Heizelement 48 mit Strom versorgt werden kann. In der Anschlussleitung ist ein ebenfalls nicht dargestelltes Bimetallelement oder ein PTC-Element angeordnet. Bei Verwendung des Bimetallelementes schaltet dieses die Stromversorgung ab Unterschreiten einer definierten Grenztemperatur von beispielsweise etwa 5°C zu. Bei höheren Temperaturen wird die Stromversorgung unterbrochen, so dass keine Aufheizung stattfindet. Wird statt des Bimetallelementes ein PTC-Element verwendet, so steigt der Stromfluss und damit die Heizwirkung des Heizelementes 48 mit sinkender Temperatur.

Zusätzlich ist ein Mosfet mit seinem Drainanschluss und seinem Source- Anschluss in der Anschlussleitung angeordnet. Ein Gate-Anschluss des Mosfets ist mit einem Ausgangsanschluss eines Positionssensors 68 oder Schalters verbunden, der mit kleiner werdendem Abstand zwischen dem Klappenkörper 36 und dem Dichtring 20 eine wachsende Ausgangsspannung erzeugt beziehungsweise bei Aufliegen des Klappenkörpers 36 auf dem Dichtring 20 schaltet, wodurch der Mosfet nur dann durchschaltet und somit das Heizelement 48 bestromt wird, wenn der Klappenkörper 36 tatsächlich auf dem Dichtring 20 aufliegt oder zumindest in dessen Nähe ist.

Des Weiteren wird eine maximale Bestromungszeit über einen Zeitschalter in einer Steuereinheit 70 der Klappenvorrichtung festgelegt, um zu vermeiden, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen und geschlossenem Klappenkörper 36 das Heizelement 48 weiter bestromt wird. Selbstverständlich kann dies auch über eine externe Steuereinheit erfolgen.

Wird nun eine Brennstoffzelle oder ein Verbrennungsmotor, in dem die Klappenvorrichtung angeordnet ist, um einen Gasstrom, in dem Kondensate enthalten sind, zu regeln, gestoppt, wird der Klappenkörper 36 in seine Schließstellung gedreht. Bei einem später folgenden Kaltstart kann es bei niedrigen Temperaturen um den Gefrierpunkt vorkommen, dass sich durch die Kondensate im zu regelnden Gasstrom zwischen dem Dichtring 20 und dem Klappenkörper 36 eine Eisschicht bildet, durch welche der Klappenkörper 36 nicht mehr frei drehbar wäre. Durch die vorliegende Erfindung wird automatisch bei entsprechend niedrigen Temperaturen das Heizelement 48 mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass durch dessen elektrischen Widerstand Wärme entsteht, die durch die Kontaktfläche zum Dichtring 20 direkt durch Wärmeleitung auf diesen übertragen wird. Hierdurch wird die Eisschicht aufgelöst und eine Freigängigkeit des Klappenkörpers 36 erzielt. Dies ist vor allem bei Klappenvorrichtungen wünschenswert, die wie die beschriebene Klappenvorrichtung einen elastischen Dichtring 20 aus Kunststoff als Ventilsitz aufweisen, da bei derartigen Dichtringen 20 andernfalls durch ein gewaltsames Lösen des Klappenkörpers 36 vom Dichtring 20 mit Beschädigungen am Dichtring 20 zu rechnen wäre. Entsprechend wird ein hochdichtes Ventil geschaffen, welches gleichzeitig unempfindlich gegen Eisbildung ist und somit eine hohe Lebensdauer aufweist.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. Insbesondere kann das Gehäuse mit unterschiedlichen Teilungen ausgeführt werden oder anders geformte Klappenkörper und Dichtsitze verwendet werden. Diese müssen auch nicht aus Kunststoff sein, sondern können gegebenenfalls auch aus einem möglichst gut Wärme leitenden Metall hergestellt werden. Dabei kann das Heizelement gegen den Metalldichtring anliegen oder alternativ umgossen werden. Auch der Klappenkörper und das Gehäuse können je nach Verwendung aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden. Die Stromversorgung kann direkt über den Stecker oder in Reihe mit der Stromversorgung des Elektromotors ausgeführt werden.