DE10220340A1

DE10220340A1 - Klappenventil für Luftansaugkanal einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10220340A1
Application number: DE10220340A
Authority: DE
Inventors: Peter Fischer; Toni Riepl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2003-11-27
Also published as: WO2003095815A1

Abstract

Klappenventil für einen Luftansaugkanal einer Brennkraftmaschine, bei dem die Drehachse (A) der Klappe (6) außerhalb der Klappe und mit Abstand zu dieser angeordnet ist und die Klappe (6) in die Kanalwand (10) so eingeschwenkt werden kann, dass sie in der Öffnungsstellung einen Teil der Kanalwand bildet. Die Klappe (6) stellt somit in der Öffnungsstellung kein Strömungshindernis dar, wodurch Strömungsverluste minimiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klappenventil für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Klappenventile dieser Gattung werden vielfach eingesetzt, beispielsweise zur Kanalabschaltung in Luftansaugsystemen von Brennkraftmaschinen. Bei derartigen Klappenventilen ist die Klappe üblicherweise um eine durch die Klappe verlaufende Drehachse zwischen einer Öffnungs- und Schließstellung schwenkbar. Wenn auch eine derartige Klappe in der Öffnungsstellung den zugehörigen Strömungskanal im wesentlichen freigibt, stellt sie doch ein gewisses Strömungshindernis dar, da sie im Strömungskanal stehen bleibt. Die hierdurch bedingten Strömungsverluste können dadurch verringert werden, dass die Klappe ein strömungstechnisch günstiges Profil erhält. Vollständig vermeiden lassen sich damit die Strömungsverluste jedoch nicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klappenventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so weiterzubilden, dass durch die Klappe in der Öffnungsstellung bedingte Strömungsverluste vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Drehachse, um die die Klappe schwenkbar ist, außerhalb der Klappe und mit Abstand zu dieser angeordnet, und die Klappe ist in die Kanalwand so einschwenkbar, dass sie in der Öffnungsstellung einen Teil der Kanalwand bildet. Zweckmäßigerweise geht die Klappe mit ihrer dem Strömungskanal zugewandten Klappenfläche stetig und glatt in die benachbarten Flächen der Kanalwand über, so dass der Strömungskanal im Bereich der Klappe einen stetigen und glatten Verlauf ohne Querschnittsverengung bzw. -erweiterung hat.

Die Klappe stellt somit in der Öffnungsstellung kein Strömungshindernis dar, so dass auch keine entsprechenden Strömungsverluste entstehen.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Klappenventil lässt sich mit besonderem Vorteil bei einer Kanalanordnung mit mehreren parallel verlaufenden Strömungskanälen mit einer entsprechenden Anzahl von Klappen einsetzen, wie es insbesondere das Luftansaugsystem einer Brennkraftmaschine darstellt. In diesem Fall werden sämtliche Klappen mit einer gemeinsamen, durch das Gehäuse verlaufenden Klappenwelle verbunden. Damit können keine Stellwinkeltoleranzen zwischen den Klappen in den verschiedenen Kanälen auftreten, da sämtliche Klappen durch die gemeinsame Klappenwelle verstellt werden. Zusätzliche Abtriebsgestänge werden somit ebenfalls überflüssig. Dies bedeutet eine erhebliche konstruktive Vereinfachung, wodurch sowohl Montage wie auch Herstellung der Klappenventile vereinfacht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Luftansaugsystem einer Brennkraftmaschine mit erfindungsgemäß ausgebildeten Klappenventilen;
Fig. 2 eine Schnittansicht in Blickrichtung der Pfeile II- II in Fig. 1, in der das Klappenventil in der Öffnungsstellung dargestellt ist;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Schnittdarstellung, in der das Klappenventil in der Schließstellung gezeigt ist;
Fig. 4 eine den Fig. 2 und 3 entsprechende Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform des Klappenventils, das sich in der Schließstellung befindet,
Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Schnittdarstellung des Klappenventils in der Öffnungsstellung.
Fig. 1 zeigt ein Luftansaugsystem 1 einer im übrigen nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Das Luftansaugsystem 1 hat ein Gehäuse 2, in dem mehrere als Luftansaugkanäle dienende Strömungskanäle 3 vorgesehen sind. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei parallel verlaufende Strömungskanäle 3 vorgesehen, deren Strömung durch eine gemeinsame Klappenventilanordnung 4 gesteuert wird.
Die Klappenventilanordnung 4 besteht aus einer gemeinsamen Klappenwelle 5 und fest damit verbundenen Klappen 6. Genauer gesagt, setzt sich die Klappenwelle 5 aus im Gehäuse drehbar gelagerten Wellenabschnitten 5a zusammen, die durch die im Bereich der Strömungskanäle 3 angeordneten Klappen 6 miteinander verbunden sind. Die Wellenabschnitte 5a der Klappenwelle 5 sind durch Wellendichtungen 15 gegenüber den Strömungskanälen 3 abgedichtet.
Zur Beschreibung der Klappen 6 sei zusätzlich auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Jede Klappe 6 besteht aus einem ungefähr plattenförmigen Klappenteil mit einer inneren Klappenfläche 8 und einer äußeren Klappenfläche 9. Wie in den Fig. 2 und 3 zu sehen ist, sind die Klappen 6 mit ihren seitlichen Enden an Stirnflächen der Klappenwelle 5 so angeformt, dass ihr Umriss, gesehen in Richtung der Drehachse A, innerhalb des Außenfangs der Wellenabschnitte 5a bleibt. Hierbei sind die Klappen 6 gegenüber der Drehachse A exzentrisch so angeordnet, dass die Drehachse A außerhalb der Klappe 6 und mit Abstand zu dieser verläuft. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3 liegt die Drehachse A in einem mittleren Bereich des Strömungskanals 3 und hat einen entsprechenden Abstand von den gegenüberliegenden Wandflächen der Kanalwand 10.
Die Anordnung ist hierbei so getroffen, dass die Klappe 6 durch Drehen der Klappenwelle 5 zwischen einer Öffnungsstellung (Fig. 2) und einer Schließstellung (Fig. 3) verschwenkt werden kann. In der Öffnungsstellung ist die Klappe 6 in eine Vertiefung 7 der Kanalwand 10 so eingeschwenkt, dass die Klappe 6 einen Teil der Kanalwand 10 bildet, wobei die innere Klappenfläche 8 stetig und glatt in die angrenzenden Flächen der Kanalwand 10 übergeht und an die Form des Strömungskanals 3 angepasst ist. Der Strömungskanal 3 hat somit in der Öffnungsstellung der Klappe 6 einen stetigen und glatten Verlauf ohne Strömungsverengung oder -erweiterung, da kein Teil der Klappe 6 in den Strömungskanal 3 vorsteht, so dass der Strömung der volle Querschnitt des Strömungskanals 3 zur Verfügung steht.
Wie den Fig. 2 und 3 entnommen werden kann, hat die Ausnehmung 7 der Kanalwand 10 eine gekrümmte, d. h. teilzylindrische Form, deren Krümmungsradius dem Abstand zwischen der Drehachse A und der Innenfläche der Ausnehmung 7 entspricht. Die äußere Klappenfläche 9 der Klappe 6 ist hierbei an die Form der Ausnehmung 7 angepasst, so dass die Klappe 6 problemlos in die Ausnehmung 7 hinein und aus ihr wieder heraus geschwenkt werden kann. Um eine zu große Wandstärke zu vermeiden, ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 die äußere Klappenfläche 9 als Rippenprofil ausgebildet.
Fig. 3 zeigt die Klappe 6 in ihrer Schließstellung, in der sie gegenüber der Öffnungsstellung der Fig. 2 um ca. 70 bis 80° verschwenkt ist und entsprechend weit in den Strömungskanal 3 vorsteht. Hierbei verschließt sie den Strömungskanal 3beispielsweise um 50 bis 70%. Grundsätzlich könnte das Klappenventil auch so gestaltet werden, dass die Klappe einen größeren Teil des Strömungskanals 3 oder den Strömungskanal 3 sogar vollständig verschließt. Dies hängt von der Lage der Drehachse A, der Größe der Klappe 6 und natürlich dem Drehwinkel der Klappe 6 ab.
Der Strömungskanal 3 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ovalen Querschnitt, könnte jedoch auch irgendeinen anderen, z. B. kreisrunden oder mehreckigen, Querschnitt haben. Insbesondere kann der Strömungskanal 3 einen verwundenen Verlauf haben. Wichtig hierbei ist, dass die innere Klappenfläche 8 der Klappe 6 an die jeweilige Form der Kanalwand angepasst ist, damit die Klappe 6 in ihrer Öffnungsstellung kein Strömungshindernis für den Strömungskanal 3 darstellt.
Wie bereits erwähnt, werden sämtliche Klappen 6 der Klappenventilanordnung 4 durch die gemeinsame Klappenwelle 5 verstellt. Da die Klappenwelle 5 mit den Klappen 6 von der Seite her in das Gehäuse 2 eingeschoben werden kann (Fig. 1), kann das Gehäuse 2 bei dieser Ausführungsform einteilig ausgebildet werden. Die Klappenwelle 5 mit den daran angeformten Klappen 6 stellt somit ein multifunktionales Bauteil dar, das nur eine einzige Stellvorrichtung benötigt und in einfacher Weise montiert werden kann.
Die Fig. 4 und 5 zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Klappenventils, wobei dem vorherigen Ausführungsbeispiel entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wurden. Wie erwähnt, verläuft bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 die Drehachse A durch den Strömungskanal 3 mit Abstand zu den Kanalwänden. Im Gegensatz hierzu ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, 5 die Drehachse A außerhalb des Strömungskanals 3 auf der der Klappe 6 gegenüberliegenden Seite des Strömungskanals 3 in der Kanalwand 10 angeordnet. Die Klappenwelle 5 ist hierbei als durchgehende Welle ausgebildet, an der die Klappen 6 jeweils durch zwei seitliche Wangen 11 befestigt sind. Die Wangen 11 sind als dünne Platten ausgebildet, die in seitlichen Ausnehmungen 16 des Gehäuses 2 bewegbar sind, damit sie nicht in den Strömungskanal 3 vorstehen. Um die Klappenwelle 5 mit den daran angeformten Klappen 6 montieren zu können, wird das Gehäuse 2 zweckmäßigerweise aus zwei Halbschalen zusammengesetzt, die nach der Montage der Klappenwelle 5 mit den Klappen 6 durch Schweißen oder in anderer Weise fest miteinander verbunden werden.
Bei dieser Ausführungsform verläuft somit der Strömungskanal 3 zwischen der Klappe 6 und einer Umfangsfläche 12 der Klappenwelle 5. Die Umfangsfläche 12 der Klappenwelle 5 ist hierbei so ausgebildet und angeordnet, dass sie in der Öffnungsstellung der Klappe 6 (Fig. 5) in der gedachten Verlängerung der angrenzenden Wandflächen der Kanalwand 10 liegt. In diesem Fall bilden somit nicht nur die innere Klappenfläche 8 der Klappe 6, sondern auch die Umfangsfläche 12 der Klappenwelle 5 und die Wangen 11 einen störungsfreien Übergang zu den angrenzenden Wandflächen der Kanalwand 10, um die Strömungsverluste zu minimieren.
Bei dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Bewegung der Klappe 6 in die Schließstellung dadurch begrenzt, dass sich eine Anlagefläche 13 der Klappenwelle 5 an eine Anschlagfläche 14 innerhalb der Kanalwand 10 anlegt. Eine Bewegung der Klappe 6 in die Öffnungsstellung wird dadurch begrenzt, dass sich ein Ende der Klappe 6 an einen Anschlag 17 der Kanalwand 2 im Inneren der Ausnehmung 7 anlegt. Der Drehwinkel zwischen Öffnungs- und Schließstellung beträgt hierbei ungefähr 30 bis 40°.
Wenn auch die beiden Ausführungsbeispiele des Klappenventils anhand eines Luftansaugsystems für eine Brennkraftmaschine beschrieben wurde, versteht es sich jedoch, dass derartige Klappenventile auch in anderen Bereichen, beispielsweise in Abgassystemen von Brennkraftmaschinen, eingesetzt werden können.

Claims

1. Klappenventil für eine Brennkraftmaschine, mit
einem Gehäuse (2), das einen Strömungskanal (3) enthält,
einer Klappe (6), die zwischen einer Öffnungsstellung und einer den Strömungskanal (3) zumindest teilweise verschließenden Schließstellung schwenkbar ist, und
einer Klappenwelle (5), die im Gehäuse (2) um eine quer zum Strömungskanal (3) verlaufende Drehachse (A) zum Verstellen der Klappe (6) drehbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (A) außerhalb der Klappe (6) und mit Abstand zu dieser angeordnet und die Klappe (6) in die Kanalwand (10) des Strömungskanals (3) so einschwenkbar ist, dass sie in der Öffnungsstellung einen Teil der Kanalwand (10) bildet, ohne in den Strömungskanal (3) vorzustehen.

2. Klappenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (6) mit ihrer dem Strömungskanal zugewandten inneren Klappenfläche (8) stetig und glatt in die benachbarten Wandflächen der Kanalwand (10) übergeht, so dass der Strömungskanal (3) im Bereich der Klappe (6) einen stetigen und glatten Verlauf ohne Querschnittsverengung und -erweiterung hat.

3. Klappenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mehrere parallel verlaufende Strömungskanäle (3) mit einer entsprechenden Anzahl von Klappen (6) enthält, die sämtlich mit einer gemeinsamen, durch das Gehäuse (2) verlaufenden Klappenwelle (5) verbunden sind.

4. Klappenventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (5) durch Wellendichtungen (15) gegenüber dem Strömungskanal (3) abgedichtet ist.

5. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (6) in der Öffnungsstellung in einer gekrümmten Ausnehmung (7) der Kanalwand (10) angeordnet ist, deren Krümmungsradius gleich dem Abstand zwischen der Drehachse (A) und der Innenfläche der Ausnehmung (7) ist.

6. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (A) durch den Strömungskanal (3) mit Abstand zur Kanalwand (10) verläuft (Fig. 2, 3).

7. Klappenventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (5) aus im Gehäuse (2) drehbar gelagerten Wellenabschnitten (5a) zusammengesetzt ist, die im Bereich des Strömungskanals (3) durch die Klappe (6) miteinander verbunden sind.

8. Klappenventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (6) mit ihren seitlichen Enden an Stirnflächen der Klappenwelle (5) angesetzt ist und mit ihrem Umriss, gesehen in Richtung der Drehachse (A), innerhalb des Außenumfangs der Klappenwelle (5) liegt.

9. Klappenventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einteilig ausgebildet ist.

10. Klappenventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (A) außerhalb des Strömungskanals (3) auf der der Klappe (6) gegenüberliegenden Seite des Strömungskanals (3) verläuft (Fig. 4, 5).

11. Klappenventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (5) als durchgehende Welle ausgebildet ist, an der die Klappe (6) durch seitliche Wangen (11) angesetzt ist.

12. Klappenventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus zwei Halbschalen besteht, die durch Schweißen oder andere Befestigungsmittel miteinander verbunden sind.

13. Klappenventil nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenwelle (5) eine solche Form hat, dass ihre dem Strömungskanal zugewandte Umfangsfläche (12) in der Öffnungsstellung in der gedachten Verlängerung der Kanalwand (10) verläuft.

14. Klappenventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (3) ein Luftansaugkanal der Brennkraftmaschine ist.