DE10330225A1

DE10330225A1 - Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE10330225A1
Application number: DE2003130225
Authority: DE
Inventors: Frank Langner
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-05
Also published as: DE10330225B4

Abstract

Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung (1) für Verbrennungskraftmaschinen, die drehbar in einem Gehäuse, beispielsweise eines Saugrohres, gelagert ist, wird so ausgeführt, daß im Bereich der die Klappenkörper verbindenden Welle (3) besonders geformte Ausgleichselemente (5) angeordnet sind, die ein herstellungs- oder wärmeausdehnungsbedingtes Spiel der Welle in axialer Richtung ausgleichen können. Die Klappenvorrichtung (1) ist des weiteren einstückig ausgebildet, so daß eine Montage sowie die Herstellung deutlich vereinfacht wird, wobei gleichzeitig ein dichter Verschluß der Klappenfenster (8) in der entsprechenden Stellung der Klappenvorrichtung (1) sichergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest zwei Klappenkörpern, die durch eine Welle, die als Drehachse der Klappenvorrichtung dient, miteinander verbunden sind und mit Elementen zum Verringern des Klappenspiels in axialer Richtung zwischen den Klappenkörpern und Klappenfenstern, in denen die Klappenkörper im eingebauten Zustand angeordnet sind, wobei die Klappenvorrichtung in einem Gehäuse angeordnet und drehbar gelagert ist, so daß eine fluidische Verbindung zwischen einem Kanal an einer ersten Seite des Klappenfensters und einem zweiten Kanal an einer zweiten Seite des Klappenfensters durch Drehung der Welle mit den Klappenkörpern wahlweise verschließbar oder herstellbar ist.

Klappenvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Sie dienen insbesondere im Bereich von Luftansaugsystemen als Drall- beziehungsweise Tumbleklappen zur Änderung des Dralls insbesondere bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren als Drosselklappen zur Einstellung des angesaugten Luftvolumenstroms oder als Schaltklappen in Verbrennungskraftmaschinen mit veränderlicher Saugrohrlänge.

Da die Anforderungen an den Zylinderfüllungsgrad zur Verbesserung der Motorleistung ständig steigen ist es notwendig geworden, diese Klappenvorrichtungen bei einem Einsatz als Schaltklappe möglichst dicht auszuführen. Dazu muß der Spalt zwischen dem Klappenfenster und dem Klappenkörper mit einem möglichst geringen Spiel ausgeführt werden.

Probleme ergeben sich hierbei insbesondere durch Fertigungsungenauigkeiten aber auch durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufgrund unterschiedlicher ver wendeter Materialien oder auch unterschiedlicher auftretender Temperaturen an der Welle beziehungsweise am Klappenkörper sowie im Bereich der Klappenfenster beziehungsweise am Gehäuse. Zusätzlich können auch unterschiedliche Ausdehnungen durch Feuchtigkeitseinfluß auftreten.

Aus diesem Grund wurde in der DE 101 26 063 A1 eine Klappenvorrichtung vorgeschlagen, bei der die Klappenkörper zweiteilig ausgeführt sind, so daß jeweils ein erstes Teilelement und ein zweites Teilelement des Klappenkörpers mit Spiel in axialer Richtung ineinander greifen. Dies wird durch ein zueinander versetztes Zahnprofil im Bereich des Eingriffs zwischen den beiden Teilelementen verwirklicht.

Allerdings besteht der Nachteil, daß die Klappe an der Stelle des ineinandergreifenden Zahnprofils im zusammengebauten Zustand relativ breit ausgeführt werden muß, so daß im geöffneten Zustand ein hoher Strömungswiderstand entsteht. Zusätzlich ist auch hier eine genaue Klappeneinstellung schwierig oder der Herstellungsaufwand der Klappen zur Verringerung des vorhandenen Spiels in tangentialer Richtung zur Drehachse wird sehr hoch.

Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von Temperatureinflüssen ist aus der DE 198 48 440 A1 für montagegespritzte Schaltklappen bekannt. Hier wird ein einzelner Klappenmechanismus derart ausgeführt, daß die Lagerstelle der Klappe einen konischen Bereich aufweist, der mit einem entsprechenden konischen Bereich der Welle der Schaltklappe korrespondiert. Der Öffnungswinkel des Konus der Welle wird dabei so gewählt, daß sich die axiale und radiale Schrumpfungskomponente der Klappenwelle ausgleichen. Wahlweise kann bei einer solchen Anordnung eine axiale Verspannung der Klappenwelle oder aber eine spielfreie Lagerung unter allen Betriebsbedingungen erreicht werden.

Eine solche Ausführung ist jedoch ohne einen zusätzlichen Ausgleich des Axialspiels bei einem aus mehreren Schaltklappen bestehenden Schaltklappenverband nicht einsetzbar, da es zu einem Verklemmen im Bereich des Konus bei nicht vorhersehbaren Betriebszuständen also Temperaturen beziehungsweise Feuchtigkeiten kommen würde.

Eine entsprechende Lösung hierzu bietet sicherlich die DE 199 18 777 A1 , in der ein Schaltklappenverband aus montagegespritzten Schaltklappen beschrieben wird. Diese wird aus mehreren Klappenmodulen zusammen gesetzt, wobei jedes Klappenmodul einen Wellenzapfen und eine Wellenaufnahme aufweist, über die zwei Module drehfest miteinander verbunden werden. Die Längen des Wellenzapfens beziehungsweise der Wellenaufnahme werden dabei so gewählt, daß im eingebauten Zustand auftretende Fertigungs- beziehungsweise Montagetoleranzen in axialer Richtung dadurch kompensiert werden können, daß der Wellenzapfen zum Spielausgleich axial beweglich in der Wellenaufnahme angeordnet ist.

Nachteilig an einer derartigen Klappenvorrichtung ist der komplizierte Einbau aufgrund ihrer Mehrteiligkeit. Zusätzlich kann die Funktion des Spielausgleichs durch auftretende Verunreinigungen beeinträchtigt werden. Desweiteren besteht der vorgesehenen drehfesten Verbindung das Problem einer exakten Klappenverstellung, da beispielsweise bei einer Feder-Nutverbindung zwischen Wellenzapfen und Wellenaufnahme ein gewisses Spiel vorgesehen werden muß, welches sich insbesondere bei Schaltklappenverbänden mit mehreren Klappen aufaddiert, so daß eine genaue Einstellung des Winkels insbesondere bei geschlossener Klappe für alle Kanäle nicht mehr möglich ist.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Klappenvorrichtung zu schaffen, die preisgünstig herzustellen ist, montagetechnisch einfach aufgebaut ist, im geschlossenen Zustand eine zuverlässige Abdichtung verwirklicht und im geöffneten Zustand einen möglichst geringen Strömungswiderstand gibt. Zusätzlich soll sowohl eine hohe Torsionssteifigkeit zur exakten Einstellung des Verstellwinkels gegeben sein, als auch ein Ausgleich im Axialspiel bei Temperatur- beziehungsweise Feuchtigkeitsschwankungen sowie eine gewisse Biegeweichheit zur Verhinderung von Spannungen beim Zusammenbau verwirklicht werden.

Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß die Welle zwischen je zwei Klappenkörpern ein Ausgleichslement aufweist, welches einstückig mit der Welle hergestellt ist. Durch eine solche Ausführung mit Ausgleichselement können Fertigungsungenauigkeiten sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen dem Gehäuse und der Welle in axialer Richtung ausgeglichen werden, wobei gleichzeitig durch die Einstückigkeit der Welle mit den Klappenkörpern der Montageaufwand minimiert wird. Hierdurch wird die Dichtigkeit zwischen den beiden Kanälen im geschlossenen Zustand der Klappenvorrichtung erhöht und insbesondere bei einem Einsatz als Schaltklappenvorrichtung der Füllungsgrad der Zylinder verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgleichselement im wesentlichen durch zwei parallel zueinander und senkrecht zur Drehachse angeordnete Dreieckskörper gebildet, die voneinander beabstandet sind und lediglich im Bereich zweier Ecken der Dreieckskörper jeweils eine Verbindung aufweisen. Eine solche Ausführung gewährleistet, daß die Klappenvorrichtung torsionssteif und gleichzeitig biege- und längenweich ist.

Eine weitere Verbesserung dieser Eigenschaften ergibt sich dadurch, daß die Verbindungen der Dreieckskörper an den die längste Dreiecksseite begrenzenden Ecken angeordnet sind.

Ein vorteilhafter Einbau und eine günstige Möglichkeit zur Gestaltung des Gehäuses ergibt sich dadurch, daß die Welle jeweils im Bereich der dritten Ecke der Dreieckskörper angeordnet ist.

Zur Begrenzung des axialen Ausgleichsspiels in der Welle und somit zur Vorgabe eines maximal auszugleichenden Weges weisen die zueinander weisenden Seitenflächen der Dreiecke Nocken auf, die einander gegenüberliegend auf der Drehachse angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Seiten der Dreieckskörper, deren Ecken die Verbindungen zwischen den Dreieckskörpern aufweisen im wesentlichen parallel zu einer Sekante an die Klappenkörperoberflächen angeordnet. Durch eine solche Anordnung ist die Stellung der Klappenvorrichtung mit ihren je nach Richtung unterschiedlichen Biegesteifigkeiten in den auftretenden Betriebszuständen und bei der Montage optimal zur Richtung der Belastung angeordnet. Gleichzeitig ist aufgrund dieser Lage der Bauraumbedarf innerhalb des Gehäuses zu verringern.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Ausgleichselemente jeweils beim maximalen Verdrehwinkel in den Endpositionen der Klappenvorrichtung gegen einen Anschlag am Gehäuse an. Hierdurch werden die Endlagen der Klappen mechanisch definiert, ohne zusätzliche Bauteile oder Einbauten im Klappenfenster benutzen zu müssen. Bei einer entsprechenden Ausrichtung ergibt sich somit ein exakter Verschluss aller Klappen in den Kanälen auch bei Klappenvorrichtungen mit mehreren hintereinander liegenden Klappenkörpern.

Vorteilhafterweise erfolgt der Anschlag am Gehäuse über jeweils zumindest eine der Verbindungen der Ecken der Dreieckskörper des Ausgleichselementes, da hier die Stabilität des Elementes am Besten gewährleistet ist.

In einer weiterführenden Ausführungsform weist eines der Ausgleichselemente der Klappenvorrichtung ein Ansatzstück auf, an dem eine Koppelstange vorzugsweise mittels einer Bajonett- oder einer Kugel-Pfanneverbindung drehbar befestigt ist. Dies dient zur Übertragung des Drehwinkels auf eine zweite baugleiche Klappenvorrichtung. Eine solche Verbindung ist insbesondere für zwei Zylinderbänke eines V-Motors zur synchronen Klappenverstellung verwendbar. Zusätzlich werden drei Funktionen in einem Bauteil vereinigt. Die Bajonett- oder Kugel-Pfanneverbindung bietet eine einfache und preisgünstige Möglichkeit der Kopplung.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind auf der Welle Lagersegmente angeordnet, die formschlüssig in das Gehäuse einsteckbar sind, so daß die Welle über die Lagersegmente drehbar im Gehäuse gelagert ist. Dies reduziert den Montageaufwand erheblich.

Zur weiteren Erhöhung der Stabilität und Dichtigkeit der Klappenvorrichtung können die Klappenkörper im Bereich des Wellenansatzes Anlaufflächen zum Lagersegment aufweisen.

In einer weiterführenden Ausführungsform weisen die Klappenkörper im äußeren Randbereich einen Ansatz auf, der in der die fluidische Verbindung zwischen den beiden Kanälen unterbrechenden Stellung der Klappenkörper im wesentlichen parallel zu einer Gehäuseinnenwand der Klappenfenster verläuft. Dadurch wird der Dichtspalt zwischen Gehäuseinnenwand und Klappenkörper verlängert und somit der Strömungswiderstand und mit diesem die Dichtwirkung deutlich erhöht.

Es wird somit eine Klappenvorrichtung geschaffen, die vom fertigungstechnischen und montagetechnischen Aufwand sehr einfach und preisgünstig herzustellen ist, dazu die Dichtigkeit im geschlossenen Zustand der Klappenkörper weiter verbessert und gleichzeitig ein eventuell vorhandenes Spiel in axialer Richtung beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnungen ausgleicht. Eine solche erfindungsgemäße Klappenvorrichtung weist des weiteren eine sehr hohe Stabilität auf und verfügt somit über eine lange Lebensdauer, was nicht zuletzt durch die hohe Torsionssteifigkeit bei gleichzeitiger Biege- und Längenweicheit erreicht wird.

Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung die Seitenansicht einer erfindungsgemäße Klappenvorrichtung in einem Gehäuse.
2 zeigt in perspektivischer dreidimensionaler Darstellung einen Ausschnitt der Klappenvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Ausgleichselement mit einem Ansatz für eine Koppelstange.
Die in 1 dargestellte Klappenvorrichtung 1 besteht aus drei Klappenkörpern 2 wobei jeweils benachbarte Klappenkörper 2 durch eine Welle 3, die als Drehachse dient, miteinander verbunden sind. Die Klappenvorrichtung 1 ist dabei über die Welle 3 in einem Gehäuse 4 gelagert, welches hier als Klappenrahmen ausgeführt ist. Jeweils etwa in der Mitte zwischen zwei Klappenkörpern 2 weist die Welle 3 ein Ausgleichselement 5 auf, welches in der hier dargestellten geschlossenen Stellung gegen einen Anschlag 6 des Gehäuses 4 anschlägt. An einem ersten Ende der Welle 3 ist außerhalb des Gehäuses ein Stellelement 7 angeordnet, über welches die Klappenvorrichtung 1 in Drehung versetzt werden kann. Dazu wird das Stellelement 7 über eine geeignete Kupplung mit einer nicht dargestellten Stellvorrichtung verbunden. Wird nun die Welle 3 mit den Klappenkörpern 2 um die Drehachse gedreht, wird eine fluidische Verbindung durch im Gehäuse 4 angeordnete Klappenfenster 8 zwischen einem in dieser Ansicht vor dem Klappenfenster 8 und einem hinter dem Klappenfenster 8 gelegen nicht dargestellten Kanal frei gegeben.
Die Ausführung der Ausgleichselemente 5 ist in 2 zu erkennen. Das Ausgleichselement 5 besteht im wesentlichen aus zwei Dreieckskörpern 9, welche an den jeweiligen Ecken der längsten Seite 10 der Dreieckskörper 9 Verbindungen 11 aufweisen. Bei einem Verdrehen der Welle 3 liegt das Ausgleichselement 5 mit diesen Verbindungen 11 gegen den Anschlag 6 des Gehäuses 4 an. Im Bereich der dritten Ecke des Dreieckskörpers 9 befindet sich die Drehachse und somit die Ansatzpunkte der Welle 3 am Ausgleichselement 5. Die längste Seite 10 des Ausgleichselementes ist im wesentlichen parallel zu einer Sekante an die Klappenkörperoberfläche angeordnet.
Wiederum aus 1 ist ersichtlich, daß die beiden Dreieckskörper 9 zueinander gerichtete Nocken 12 aufweisen, die im wesentlichen auf der Drehachse angeordnet sind und das Ausgleichsspiel in axialer Richtung beschränken.
Aus 2 wird des weiteren ersichtlich, daß eines der Ausgleichselemente 5 ein Ansatzstück 13 aufweist, an dem eine Koppelstange 14 drehbar über eine Bajonettverbindung 15 befestigt ist. Diese Koppelstange 14 wiederum ist an ihrem anderen nicht dargestellten Ende mit einer baugleichen Klappenvorrichtung verbunden, so daß bei einer Ausführung eines Motors in V-Bauform die Drehung der Welle 3 auf eine gegenüberliegende zweite Klappenvorrichtung, die zur zweiten Zylinderbank gehört, übertragen werden kann, wodurch eine zeitgleiche Verstellung der Klappenkörper 2 erfolgt. Die Lagerung der Klappenvorrichtung 1 erfolgt über Lagersegmente 16, welche im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel drehbar um die Welle 3 möglichst nah an den Klappenkörpern 2 angeordnet sind. Eine solche Ausführung ist beispielsweise durch ein Herstellen der Klappenvorrichtung 1 durch Montagespritzen zu erreichen. Die gesamte Klappenvorrichtung 1 mit den Lagersegmenten 16 kann nun bei der Montage in das Gehäuse 4 eingeschoben werden, so daß eine formschlüssige Verbindung zwischen den Lagersegmenten 16 sowie entsprechenden Ausnehmungen am Gehäuse 4 geschaffen wird. Zur besseren Abdichtung und Formstabilität weisen die Klappenkörper 2 im Bereich des Übergangs zur Welle 3 Anlaufflächen 17 zum Lagersegment 16 auf. Die Klappenkörper 2 sind so ausge führt, daß sie einen Ansatz 18 in ihrem äußeren Randbereich umlaufend aufweisen, dessen zu einer korrespondierenden Gehäuseinnenwand 19 weisende Fläche im eingebauten Zustand im wesentlichen parallel zu der Gehäuseinnenwand 19 angeordnet ist, so daß die Länge des im geschlossenen Zustandes zu durchströmenden Spaltes vergrößert wird, wodurch die Dichtigkeit der Klappen erhöht wird.
Eine solche Ausführung ist sehr leicht montierbar und weist eine hohe Stabilität auf. Zusätzlich wird die Dichtigkeit zwischen Klappenkörper und Klappenfenster deutlich erhöht, da auch Temperaturschwankungen beziehungsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Bauteilen durch das Ausgleichselement ausgeglichen werden können, so daß eine exakte Lage des Klappenkörpers im Gehäuse sicher gestellt wird. Aufgrund der optimierten Form und Anordnung des Ausgleichselementes wird eine längen- und biegeweiche Klappenvorrichtung geschaffen, die gleichzeitig eine hohe Torsionssteifigkeit aufweist, worin nicht zuletzt die große Stabilität dieser Ausführung begründet liegt.
Es sollte deutlich sein, daß verschiedene Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, wie beispielsweise der direkte Einbau der Klappenvorrichtung in ein Saugrohrgehäuse oder eine Herstellung der Klappenvorrichtung nicht durch Montagespritzen, sondern durch andere Herstellungsverfahren. In diesem Zusammenhang können beispielsweise auch auf eine Welle geschraubte Klappen verwendet werden, ohne den Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen. Des weiteren sollte deutlich sein, daß die Form und Länge der Klappenvorrichtung variabel ist, so daß sie für verschiedene Motorenbauformen einsetzbar ist. Je nach Einsatzgebiet und Motorbauform kann auch die Form der einzelnen Klappenkörper von der hier dargestellten konkaven Form abweichen. Ebenso kann je nach Einbau eine modifizierte Form des Ausgleichselementes verwendet werden, wobei Längen- und Biegeweichheit sowie Torsionsteifigkeit erhalten bleiben müssen.

Claims

Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest zwei Klappenkörpern, die durch eine Welle, die als Drehachse der Klappenvorrichtung dient, miteinander verbunden sind und mit Elementen zum Verringern des Klappenspiels in axialer Richtung zwischen den Klappenkörpern und Klappenfenstern, in denen die Klappenkörper im eingebauten Zustand angeordnet sind, wobei die Klappenvorrichtung in einem Gehäuse angeordnet und drehbar gelagert ist, so daß eine fluidische Verbindung zwischen einem Kanal an einer ersten Seite des Klappenfensters und einem zweiten Kanal an einer zweiten Seite des Klappenfensters durch Drehung der Welle mit den Klappenkörpern wahlweise verschließbar oder herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) zwischen je zwei Klappenkörpern (2) ein Ausgleichselement (5) aufweist, welches einstückig mit der Welle (3) hergestellt ist.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (5) im wesentlichen durch zwei parallel zueinander und senkrecht zur Drehachse angeordnete Dreieckskörper (9) gebildet ist, die voneinander beabstandet sind und lediglich im Bereich zweier Ecken der Dreieckskörper (9) jeweils eine Verbindung (11) aufweisen.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (11) der Dreieckskörper (9) an den die längste Dreiecksseite (10) begrenzenden Ecken angeordnet sind.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) jeweils im Bereich der dritten Ecke der Dreieckskörper (9) angeordnet ist.
Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander weisenden Seitenflächen der Dreiecke (9) Nocken (12) aufweisen, die einander gegenüberliegend auf der Drehachse angeordnet sind.
Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten der Dreieckskörper (9), deren Ecken die Verbindungen (11) zwischen den Dreieckskörpern (9) aufweisen, im wesentlichen parallel zu einer Sekante an die Klappenkörperoberflächen angeordnet sind.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichselemente (5) jeweils bei maximalem Verdrehwinkel in den Endpositionen der Klappenvorrichtung (1) gegen einen Anschlag (6) am Gehäuse (4) anliegen.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (6) am Gehäuse (4) über jeweils zumindest eine der Verbindungen (11) der Ecken der Dreieckskörper (9) des Ausgleichselementes (5) erfolgt.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Ausgleichselemente (5) der Klappenvorrichtung (1) ein Ansatzstück (13) aufweist, an dem eine Koppelstange (14) vorzugsweise mittels einer Bajonett- oder einer Kugel-Pfanneverbindung (15) drehbar befestigt ist.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (3) Lagersegmente (16) angeordnet sind, die formschlüssig in entsprechende Ausnehmungen des Gehäuses (4) einsteckbar sind, so daß die Welle (3) über die Lagerelemente (16) drehbar im Gehäuse (4) gelagert ist.
Klappenvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenkörper (2) im Bereich des Wellenansatzes Anlaufflächen (17) zum Lagerelement (16) aufweisen.
Klappenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenkörper (2) im äußeren Randbereich einen Ansatz (18) aufweisen, der in der die fluidische Verbindung zwischen den beiden Kanälen unterbrechenden Stellung der Klappenkörper (2) im wesentlichen parallel zu einer Gehäuseinnenwand (19) der Klappenfenster (8) verläuft.