Die Erfindung betrifft eine Drosselspaltdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Ventile, die den Durchfluss von gasförmigen Medien in Verbrennungsmotoren zyklisch (d.h. pro Arbeitsspiel) steuern und im geschlossenen Zustand sehr geringe Leckraten aufzeigen.
Die Verwendung der Ventile zur Gaswechselsteuerung in Verbrennungsmotoren stellt folgende Anforderungen an das Ventil:
Diese o.g. Anforderungen können bekannte Ventilkonstruktionen nicht vollends erfüllen, da diese je nach Bauart, entweder über Anlagedichtungen oder nicht einstellbare Spaltdichtungen verfügen und Bauart spezifisch mit folgenden konstruktiven Nachteilen behaftet sind:
Nachteile von Ventilen mit senkrecht auf die Anlagedichtungen bewegtem Stellglied:
Nachteile von Ventilen mit tangential auf die Anlagedichtungen bewegtem Stellglied:
Nachteile von Ventilen mit nicht einstellbaren Spaltdichtungen:
Eine Drosselspaltdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP 10 103089 A bekannt. Zur Verkürzung der Baulänge des Ventils ist dort das Gehäuse mit einer seitlichen Ausnehmung versehen, in die das Einlegeteil dichtend eingesteckt werden kann. Mittels einer Schraube sind das Einlegeteil und das Gehäuse verbindbar, sodass das Einlegeteil in seiner in das Gehäuse eingesetzten Stellung fest mit diesem verbunden ist. Das Stellglied des Ventils ist als Drosselklappe ausgebildet, die starr in einer Lagerwelle für die Drosselklappe gehalten ist. Die Lagerwelle selbst ist nicht einstellbar in dem Einlegeteil gelagert.
Vor dem Hintergrund der beschriebenen Anforderung an das Ventil und die Nachteile bekannter Ventile schlägt die Erfindung eine Drosselspaltdichtung gemäß der Merkmale des Anspruches 1 vor.
Die erfindungsgemäße Drosselspaltdichtung weist somit ein Einlegeteil auf, das im Gehäuse aufgenommen wird. Dieses ist zum Gehäuse mit mindestens einer Dichtung abgedichtet. Das Einlegeteil umfasst den Strömungsquerschnitt des Gehäuses und lässt sich vorzugsweise, im geschlossenen Zustand des Ventils, mit seiner dem Stellglied des Ventils zugewandten Dichtfläche auf die Position des Stellgliedes mit dessen dem Einlegeteil zugewandter Dichtfläche zumindest einmalig im Gehäuse ausrichten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtfläche des Einlegeteils und die Dichtfläche des Stellgliedes ohne kontinuierliche Krafteinwirkung aufeinander in der geschlossenen Position des Ventils gegenüberliegen. Einlegeteil und Stellglied liegen somit kräftefrei gegenüber.
Vorzugsweise nimmt das Stellglied seine Ruhe-Schließposition ohne Anschlag gegen das Einlegeteil und Gehäuse ein. Durch den Verzicht auf einen Anschlag lassen sich extreme Beschleunigungsspitzen der bewegten Teile vermeiden.
Es wird bei der Drosselspaltdichtung ferner als vorteilhaft angesehen, wenn die Dichtfläche des Stellglieds bei Veränderung des Strömungsquerschnitts des Ventils bezüglich der Dichtfläche des Einlegeteils eine beliebige Bewegungsbahn ausführt, wobei die Bewegungsbahn der Dichtfläche des Stellgliedes um die Ruhe-Schließposition des Stellgliedes eine tangentiale Richtung gegenüber der Dichtfläche des Einlegeteils beinhaltet. Diese Bewegungsbahn kann zum Beispiel oszillierend und/oder rotierend, linear, kreisförmig, elliptisch, parabolisch usw. sein. Es vollzieht während des Bewegungsvorgangs des Stellgliedes der Masseschwerpunkt des Stellgliedes relativ zum Masseschwerpunkt des Einlegeteils eine beliebige Kurvenbahn, zum Beispiel eine Drehbewegung, eine Linearverschiebung, eine Kombination beider Bewegungsformen oder gar keine Bewegung.
Die Dichtung übernimmt vorzugsweise neben der Mediumsabdichtung zusätzliche Funktionen, wie die thermische Isolation zwischen Gehäuse und Einlegeteil und/oder die Befestigung des Einlegeteils im Gehäuse. Dieser Fall der thermischen Isolation betrifft insbesondere den statischen Aspekt. Die thermische Isolation zwischen Gehäuse und Einlegeteil stellt insbesondere für den Fall, dass das Ventil im Bereich eines Zylinderkopfes angeordnet ist, sicher, dass sich die Aufheizung des Gehäuses nicht auf das Einlegeteil überträgt, und damit einen hohen Temperaturunterschied zwischen Stellglied und Einlegeteil verursacht.
Unter dynamischem Aspekt ist es von Vorteil, wenn das Stellglied und das Einlegeteil einen ähnlichen Quotienten von Medium umspülten Bauteiloberflächen/Wärmekapazität des Bauteils besitzen, um ein ähnliches Zeitverhalten bezüglich der thermischen Dehnung der Bauteile zu erreichen. Diese Ausbildung von Stellglied und Einlegeteil berücksichtigt insbesondere Einwirkungen infolge starker Ansauglufterwärmung bei aufgeladenen Motoren.
Unter dem Aspekt, dass das Ventil im Millisekundenbereich schalten soll, kommt der Ausbildung des bewegten Stellgliedes mit geringer Masse besondere Bedeutung zu. So wird vorgeschlagen, dass das Stellglied aus einem oder mehreren Einzelbauteilen besteht, die zum Teil aus einem oder mehreren Materialien geringer Dichte, wie zum Beispiel Leichtmetall, Metallschaum, Kunststoffschaum, faserverstärktem Kunststoff hergestellt sind.
Unter dem Aspekt der einmaligen Ausrichtmöglichkeit, sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Drosseldichtspalt zwischen Stellglied und Einlegeteil durch Positionieren des Einlegeteils in der Ebene oder zusätzlich senkrecht zur Ebene einstellbar ist. Diese Positionierung kann durch mechanisches (zum Beispiel Abstandslehre), optisches (zum Beispiel Lichtspaltvermessung) oder hydraulisches (zum Beispiel Spaltdurchströmung) kalibrieren des Drosseldichtspaltes vorgenommen werden. Die Kalibrierung des Drosseldichtspaltes kann ferner durch Selbstzentrierung des Einlegeteils auf das Stellglied erfolgen. Dies geschieht vorzugsweise durch Anlegen der Dichtfläche des Ventils auf die Dichtfläche des Einlegeteils, wobei eine dieser Flächen mit einer dicken Beschichtung versehen ist, die den Drosselspalt im Montagezustand zumindest teilweise schließt und die sich im späteren Betrieb des Ventils an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche abträgt.
Für den Fall des mehrmaligen, d.h. bei jedem Öffnungs- bzw. Schließvorgang des Stellglieds erfolgenden Ausrichten des Einlegeteils im Gehäuse ergibt sich der Drosseldichtspalt durch selbsttätiges Wiederkehren des Ausrichtens des Einlegeteils auf das Stellglied in der Ruhe-Schließposition. Dies wird zum Beispiel durch eine kleiner werdende Drosselspalthöhe in Richtung der Ruhe-Schließposition erreicht. Das Einlegeteil schließt beweglich, aber mediumsdicht über Dichtungen zum Gehäuse ab und es sind die Dichtflächen von Einlegeteil und Stellglied mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung versehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Die Erfüllung der o.g. Anforderungen 1-9 an Ventile zur Gaswechselsteuerung bei Verbrennungsmotoren wird durch die einstellbare, enge Drosselspaltdichtung erreicht. Die konstruktiven Eigenschaften der Drosselspaltdichtung werden den Anforderungen 1-9 nachfolgend gegenüber gestellt:
Weitere Details der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben und näher erläutert. In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt:
Das in Figur 1 veranschaulichte Ventil 16 besitzt ein Gehäuse 1 zum Führen des gasförmigen Mediums im Ventil 16. Im Gehäuse 1 ist ein beweglich antreibbares, um die Drehachse 24 schwenkbares Stellglied 4 zum Verändern des korrespondierenden Strömungsquerschnitts 11 im Ventil vorgesehen. Im Gehäuse 1 ist ein Einlegeteil 2 aufgenommen. Dieses ist zum Gehäuse 1 mit einer Dichtung 3 abgedichtet. Wie insbesondere der Darstellung der Figur 3 zu entnehmen ist, umfasst das Einlegeteil 2 den Strömungsquerschnitt 11 des Gehäuses 1.
In der Figur 1 ist das Stellglied 4 in seiner Schließstellung gezeigt. Das Einlegeteil 2 lässt sich im geschlossenen Zustand 6 des Ventils in seiner dem Stellglied 4 zugewandten Dichtfläche 10, wie es insbesondere in Figur 2 veranschaulicht ist, auf die Position des Stellglieds 4 mit dessen dem Einlegeteil 2 zugewandter Dichtfläche 8 zumindest einmalig im Gehäuse ausrichten und bildet einen Drosselspalt 12. Die Dichtfläche 10 des Einlegeteils 2 und die Dichtfläche 8 des Stellglieds 4 liegen, ohne kontinuierliche Krafteinwirkung aufeinander, in der geschlossenen Position 6 des Ventils gegenüber. Das Stellglied 4 nimmt seine Schließposition 6 ohne Anschlag gegen das Einlegeteil 2 und Gehäuse 1 ein.
Die Dichtfläche 8 des Stellglieds 4 führt bei Veränderung des Strömungsquerschnitts 11 des Ventils bezüglich der Dichtfläche 10 eine kreisförmige Bewegungsbahn 9 aus. Die Bewegungsbahn der Dichtfläche 8 um die Ruhe-Schließposition 6 des Stellgliedes 4 beinhaltet eine tangentiale Richtung 7 gegenüber der Dichtfläche 10.
Die Längsmittelachse des Gehäuses 1 ist mit der Bezugsziffer 14, die senkrecht zum Drosseldichtspalt 12 angeordnete Ebene mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet. In der Ruhestellung befindet sich das Stellglied 4 symmetrisch zur Ebene 15. Mit der Bezugsziffer 5 ist die geöffnete, somit um 90° geschwenkte Position des Stellgliedes 4 bezeichnet. In Figur 4 ist mit der Bezugsziffer 13 eine Position des Stellgliedes 4 bei Freigabe bzw. Schließen des Strömungsquerschnitts 11 veranschaulicht. Der Drosseldichtspalt 12 ist während des Schließvorganges des Ventils schon vor Erreichen der Ruhe-Schließposition 6 des Stellgliedes 4 ab dieser Position 13 vorhanden, womit dem Stellglied beim Verschließen des Strömungsquerschnitts 11 eine Bewegungsgeschwindigkeit größer Null auferlegt wird. Der Drosseldichtspalt 12 bleibt während des Öffnungsvorganges des Ventils für einen Teilabschnitt der einsetzenden Bewegung des Stellglieds 4 aus dessen Ruhe-Schließposition 6 heraus bis zu dessen Position 13 erhalten, womit das Stellglied 4 bei beginnender Freigabe des Strömungsquerschnitts 11 eine Bewegungsgeschwindigkeit größer Null auferlegt wird.
Das Stellglied 4 und das Einlegeteil 2 besteht aus einem Material mit ähnlichem Wärmedehnungskoeffizienten. Die Dichtung 3 übernimmt, neben der Mediumsabdichtung, zusätzliche Funktionen, insbesondere die thermische Isolation zwischen Gehäuse 1 und Einlegeteil 2 und/oder die Befestigung des Einlegeteils 2 im Gehäuse 1. Das Stellglied 4 und das Einlegeteil 2 besitzen einen ähnlichen Koeffizienten von Medium umspülter Bauteiloberflächen/Wärmekapazität des Bauteils, um ein ähnliches Zeitverhalten bezüglich der thermischen Dehnung der Bauteile zu erreichen. Bei dem Stellglied 4 handelt es sich um die Bauteiloberflächen 22 und 23 sowie die durch die Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 gebildete Bauteiloberfläche, und beim Einlegeteil 2 um die Bauteiloberflächen 17 und 18 sowie die Dichtfläche 10 des Einlegeteils 2, die eine weitere Bauteiloberfläche bildet.
Das Stellglied 4 besitzt im Ausführungsbeispiel eine kreisscheibenförmige Außenkontur, die mindestens den Strömungsquerschnitt 11 in der geschlossenen Position des Ventils 6 bis auf den Drosselspalt 12 verschließt. Grundsätzlich kann das Stellglied 4 aus einem oder mehreren Einzelbauteilen bestehen, die zum Teil aus einem oder mehreren Materialien geringer Dichte, wie zum Beispiel Leichtmetall, Metallschaum, Kunststoffschaum, faserverstärktem Kunststoff hergestellt sind. Auch das Einlegeteil 2 kann aus mehreren Einzelbauteilen bestehen.
Die Figuren 5 bis 7 verdeutlichen die besondere Gestaltung der Drosselspaltdichtung anhand dreier grundsätzlicher Ausführungsformen, um die Selbstzentrierung des Einlegeteils 2 auf das Stellglied 4 zu erreichen:
Bei der Ausführungsform nach der Figur 5 erfolgt die Selbstzentrierung des Einlegeteils 2 auf das Stellglied 4 durch Anlegen der Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 auf die Dichtfläche 10 des Einlegeteiles 2, wobei die Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 mit einer Beschichtung 19 versehen ist. Diese schließt bzw. verkleinert den Drosselspalt zumindest im Montagezustand und trägt sich im späteren Betrieb an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche 10 zumindest teilweise ab.
Die Ausführungsform nach der Figur 6 unterscheidet sich von derjenigen nach der Figur 5 nur dadurch, dass statt der Beschichtung 19 des Stellgliedes 4 eine Beschichtung 20 des Einlegeteils 2 vorgesehen ist, die den Drosselspalt zumindest im Montagezustand schließt bzw. verkleinert und die sich im späteren Betrieb des Ventils an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 zumindest teilweise abträgt.
Figur 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Drosseldichtspalt 12 sich durch selbsttätiges Wiederkehren des Ausrichten des Einlegeteils 2 auf das Stellglied 4 in der Ruhe-Schließposition 6 ergibt. Dies wird zum Beispiel durch eine kleiner werdende Drosselspalthöhe 21 in Richtung der Ruhe-Schließposition 6 erreicht. Das Einlegeteil 2 schließt beweglich, aber mediumsdicht über zwei Dichtungen 3 zum Gehäuse 1 ab und es sind die Dichtflächen 8 und 10 mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung versehen. Bei dieser Ausführungsform ist das Einlegeteil 2 elastisch im Gehäuse 1 befestigt.