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Die
Erfindung betrifft eine Walzenschieberanordnung mit den Merkmalen
aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sie
geht von der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 37 251 A1 aus. In
dieser ist eine gattungsgemäße Walzenschieberanordnung,
insbesondere zur Ladungssteuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben.
Die Walzenschieberanordnung umfasst einen in einem Gehäuse spielbehaftet
drehbeweglich angeordneten Walzenschieber mit einem quer zur Drehachse,
im Wesentlichen gemittelt angeordneten Durchgangskanal und einem
stromauf des Durchgangskanals in einer Ausnehmung des Gehäuses angeordneten,
einen Zuströmkanal
abschnittsweise begrenzenden Gleitring zur gleitbeweglich dichten
Auflage auf der Außenkontur
des Walzenschiebers, wobei der Gleitring in der Ausnehmung unter
Zwischenschaltung eines Dichtelementes beweglich angeordnet ist.
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Weiter
wird zum technischen Umfeld auf die
DE 198 15 739 A1 hingewiesen, in der ebenfalls
eine derartige Walzenschieberanordnung bekannt ist. Bei dieser Walzenschieberanordnung
ist der Gleitring in der Ausnehmung des Gehäuses unter Zwischenschaltung
eines O-Rings als Dichtelement beweglich angeordnet. An diesem gegenüber dem
Zuströmkanal
abgedichteten Gleitring wirkt insbesondere in einer den Zuströmkanal verschließbaren Stellung
des Walzenschiebers der auf diesen stromab wirkende Ansaugunterdruck über das
Laufspiel bzw. den Umfangsspalt zwischen Walzenschieber und Gehäuse. Der
somit bei Ansaugunterdruck von einem Überdruck im Zuströmkanal kolbenartig
beaufschlagte Gleitring wird dadurch in nachteiliger Weise über jede Drehung
des Walzenschiebers entgegen dessen Außenumfang dichtend angepresst.
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Die
damit erhöhte
Reibung zwischen Walze und Gleitring führt zu erhöhten Verstellkräften sowie zu
einem starken Verschleiß.
Um dieses Problem zu lösen,
wird in der eingangs erwähnten
DE 101 37 251 vorgeschlagen,
dass der Gleitring bei den Zuströmkanal
offen steuernden Durchgangskanal mittels eines Federelementes von
der Außenkontur
des Walzenschiebers entfernt bzw. abgehoben angeordnet ist.
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Auch
wenn diese Ausführung
eine wesentliche Verbesserung gegenüber der
DE 198 15 739 A1 darstellt,
liegt der hier vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
Reibkräfte
noch weiter zu minimieren und gleichzeitig die Dichtheit der Walzenschieberanordnung
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1 gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann
das Spiel zwischen dem Walzenschieber und dem Gehäuse vergrößert werden,
da aufgrund einer anliegenden Druckdifferenz zwischen dem ersten Strömungskanal
und dem Durchgangsströmungskanal
das Dichtelement elastisch verformt wird, wodurch das Spiel überbrückt wird
und damit die Dichtung erfolgt. Dies bedeutet, dass das Dichtelement aufgrund
der Druckverhältnisse
mittig in Richtung Hohlraum gedrückt
wird, wodurch sich der Rand anhebt und die Dichtung gegen das Gehäuse erfolgt. Durch
die Spielvergrößerung wird
die innere Reibung der Walzenschieberanordnung deutlich minimiert, wodurch
die Betätigungskräfte ebenfalls
minimiert sind. Um die Reibungswerte noch weiter zu minimieren,
kann beispielsweise in das elastische Element auch noch ein Gleitmittel
infiltriert werden. Durch das vergrößerte Spiel zwischen Walzenschieber
und Gehäuse
ist zusätzlich
einem thermischen Verklemmen durch die großzügige Spielauslegung vorgebeugt. Da
sich das Dichtelement in nicht dichtender Funktion elastisch rückverformt,
ist in vorteilhafter Weise auch der Dichtungsverschleiß reduziert.
Dies führt
zu einer überaus
großen
Robustheit der erfindungsgemäß ausgestalteten
Walzenschieberanordnung. Weiter sei noch angemerkt, dass die Dichtheit
mit steigender Druckdifferenz immer besser wird. Somit wird die
Leckage immer weiter verringert, je größer die Druckdifferenz ist.
Dies ist im Stand der Technik genau umgekehrt.
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Die
vorgeschlagene Walzenschieberanordnung eignet sich nicht nur insbesondere
für Ansaugsysteme
von Brennkraftmaschinen, sondern für jede Art von fluidführenden
Bauteilen, die verschlossen werden müssen. Unter Fluid werden alle
gasförmigen
und flüssigen
Medien verstanden.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
2 gewährleistet
eine optimale Abdichtung des Durchgangsströmungskanals.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
3 ist gewährleistet,
dass das Dichtelement bei Betätigung
der Walzenschieberanordnung nicht in seiner Lage verändert wird,
so dass über
eine sehr lange Zeit die optimale Dichtheit gewährleistet ist.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
4 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante gemäß Patentanspruch
3.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
5 verhindert eine übermäßige Deformation
des Dichtelementes, was wiederum zu einem Defekt führen könnte.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
6 ist gewährleistet,
dass das Dichtelement auch bei geringen Druckunterschieden bereits
optimal abdichtet.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
7 ist eine weitere Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Walzenschieberanordnung.
In dieser Konfiguration eignet sich die Walzenschieberanordnung beispielsweise
auch für
Abgasturbolader, die über
einen Bypass verfügen.
Dieser kann sowohl verdichterseitig als auch turbinenseitig angeordnet
sein. Besonders bevorzugt wird die Walzenschieberanordnung gemäß Patentanspruch
7 in einer mehrstufigen Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine
eingesetzt.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 8 und
9 wird der Strömungswiderstand
in der erfindungsgemäßen Walzenschieberanordnung minimiert.
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Die
Materialien für
das Dichtelement gemäß Patentanspruch
10 sind besonders bevorzugte Materialien. Das Dichtelement kann
beispielsweise ausschließlich
aus Kunststoff oder einem Metall, beispielsweise einem Federblech,
gefertigt sein oder auch in gemischter Ausführung vorliegen. In diesem Fall
ist das Dichtelement aus einem Kunststoff, wie z. B. einem thermoplastischen
Polymer oder Silikon, wobei vorzugsweise der Bereich der Dichtwulst durch
einen Metallring verstärkt
ist.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 11
erlaubt die Verwendung der erfindungsgemäßen Walzenschieberanordnung
beispielsweise für
eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine zur Laststeuerung im Ansaugsystem.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
in drei Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Walzenschieberanordnung.
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2 zeigt
einen Schnitt durch die Walzenschieberanordnung mit einem geöffneten
Durchgangsströmungskanal
und einem geschlossenen zweiten Durchgangsströmungskanal.
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3 zeigt
einen Schnitt durch die Walzenschieberanordnung mit einem geschlossenen
Durchgangsströmungskanal
und einem geöffneten
zweiten Durchgangsströmungskanal.
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Im
Folgenden gelten für
alle drei Figuren für gleiche
Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt
die Aufsicht auf eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Walzenschieberanordnung 1.
Die Walzenschieberanordnung 1 besteht im Wesentlichen aus
einem um eine Drehachse 3' drehbaren
Walzenschieber 3, der über
eine axial mit einem Lager 15 in einem Gehäuse 2 drehbar
gelagerten Betätigungswelle 17 gelagert ist.
Im eingebauten Zustand ragt die Betätigungswelle 17 durch
eine Bohrung in dem Gehäuse 2 aus
diesem heraus, wobei außerhalb
des Gehäuses 2 ein Betätigungsarm 16 für den Walzenschieber 3 mit
einer nicht bezifferten Schraube lösbar an der Betätigungswelle 17 montierbar
ist. Mit Hilfe des Betätigungsarmes 16 kann
der Walzenschieber 3 in dem Gehäuse 2 verdreht werden.
Zum Verschließen
des Gehäuses 2 auf
der dem Betätigungsarm 16 gegenüber liegenden
Seite ist ein Gehäusedeckel 2' vorgesehen,
der axial an das Gehäuse 2 montierbar
ist. Das Gehäuse 2 weist
einen Durchgangsströmungskanal 6 auf
sowie einen zweiten Durchgangsströmungskanal 13.
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Der
im Wesentlichen trommelförmige
Walzenschieber 3 weist eine Ausnehmung auf, die in Verbindung
mit dem Gehäuse 2 einen
ersten, in den 1 und 2 erkennbaren
Strömungskanal 5 bildet.
Das restliche Material des Walzenschiebers 3 bildet im
Wesentlichen eine Wange 4, in der ein Hohlraum 7 gegenüber dem
ersten Strömungskanal 5 angeordnet
ist. Der Hohlraum 7 wird von einem elastischen Dichtelement 8 abgedeckt,
das auf der dem ersten Strömungskanal 5 gegenüberliegenden
Seite eine Dichtwulst 9 aufweist. Auf der der Dichtwulst 9 gegenüber liegenden
Seite weist das Dichtelement 8 eine, in den 2 und 3 erkennbare
erste Struktur 10 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein erhabener Bereich, der mit einer zweiten Struktur 11, im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
dem Hohlraum 7, korrespondiert. Durch diese geometrische
Ausgestaltung wird das Dichtelement 8 auf dem Hohlraum 7 lagefixiert.
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Bei
Benutzung der erfindungsgemäß ausgestalteten
Walzenschieberanordnung 1 wird aufgrund der Druckverhältnisse
das Dichtelement 8 im Wesentlichen mittig in Richtung Hohlraum 7 gedrückt. Hierdurch
wird der Rand des Dichtelementes 8 dermaßen verformt,
dass die Dichtwulst 9 gegen das Gehäuse 2 gedrückt wird.
Damit die Deformation des Dichtelementes 8 nicht zu groß wird,
ist in etwa mittig des Hohlraumes 7 ein Anschlag 12 vorgesehen,
der eine maximale Deformation des Dichtelementes 8 beschränkt, um
einer eventuellen Beschädigung
vorzubeugen.
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Das
in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
ist wie einleitend erwähnt
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel,
welches insbesondere für
eine Abgasturboladeranordnung mit einem Bypass zur Anwendung kommt.
Der Einsatz findet bevorzugt verdichterseitig statt, wobei der zweite Durchgangsströmungskanal 13 den
Bypass und der Durchgangsströmungskanal 6 den
Anströmkanal
für den
Verdichter darstellt.
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2 zeigt
einen Schnitt durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Walzenschieberanordnung 1 senkrecht
zur Drehachse 3'.
In dem Gehäuse 2 ist
der Walzenschieber 3 drehbeweglich angeordnet, wobei der
Durchgangsströmungskanal 6 in
Verbindung mit dem ersten Strömungskanal 5 geöffnet ist.
Der zweite Durchgangsströmungskanal 13 ist
in 2 geschlossen. Wie in 2 erkennbar,
weist der Walzenschieber 3 eine zweite Wange 14 auf,
die jedoch keine Dichtfunktion aufweist. Eine Strömungsrichtung
eines Fluids, vorzugsweise einem Gas, wie beispielsweise Luft, ist
durch zwei Doppelpfeile schematisch dargestellt.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist der Durchgangsströmungskanal 6 in
Verbindung mit dem ersten Strömungskanal 5 geöffnet und
der zweite Durchgangsströmungskanal 13 verschlossen,
wodurch sich in diesem ein Überdruck
gegenüber
dem Durchströmungskanal 6 aufbauen
kann. Dieser Überdruck drückt, wie
unter 1 beschrieben, das Dichtelement 8 in
Richtung Hohlraum 7, wodurch das Dichtelement deformiert
und die Dichtwulst 9 gegen das Gehäuse 2 gedrückt wird.
Zur Wegbegrenzung der maximalen Durchbiegung ist der Anschlag 12 in
dem Hohlraum 7 vorgesehen.
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3 zeigt
den gleichen Schnitt wie 2, jedoch mit geöffnetem
zweiten Strömungskanal 13 in Verbindung
mit dem ersten Strömungskanal 5,
wobei der Durchgangsströmungskanal 6 weitgehend
verschlossen ist. Wie in 3 erkennbar, bildet die zweite
Wange 14 nun ein Strömungsleitelement
in dem Gehäuse 2.
Die Strömungsrichtung
des Fluids ist durch zwei Doppelpfeile und einen einfachen Pfeil im
nicht vollständig
geschlossenen Durchgangsströmungskanal 6 schematisch
dargestellt. Da die Drehachse 3' des Walzenschiebers 3 nicht
zentrisch im Gehäuse 2 angeordnet
ist, wird der Durchgangsströmungskanal 6 nie
vollständig
verschlossen. Dies ermöglicht ein
ständiges
Zumischen von einem Fluid, kommend aus dem Durchgangsströmungskanal 6 mit
einem Fluid, das den zweiten Durchgangsströmungskanal 13 durchströmt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann auch der Durchgangsströmungskanal 6 vollständig und/oder
der zweite Durchgangsströmungskanal 13 unvollständig verschließbar sein.
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In
einem einfacheren Ausführungsbeispiel kann
der zweite Durchgangsströmungskanal 13 auch vollständig entfallen,
so dass die erfindungsgemäße Walzenschieberanordnung 1 beispielsweise
für eine Laststeuerung
in einer Sauganlage einer Brennkraftmaschine Verwendung finden kann.
Hierbei kann für jeden
Zylinder der Brennkraftmaschine ein separater Walzenschieber 3 vorgesehen
werden oder es sind mehrere, entsprechend der Anzahl der Zylinder,
Walzenschieber 3 in Richtung der Drehachse ortsfest miteinander
verbunden und in einem gemeinsamen Gehäuse 2 angeordnet.
Diese können
entweder kraft- und/oder formschlüssig ortsfest miteinander verbunden
sein oder auch einstückig
und materialeinheitlich gefertigt werden.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die erste Struktur 10 eine um das Dichtelement 8 umlaufende
Lippe, die zur Lagefixierung des Dichtelementes 8 in den
Hohlraum 7 formschlüssig
eingreift. In weiteren Ausführungsbeispielen
ist es auch möglich, dass
hierfür
radial außen
um den Hohlraum 7 eine separate Nut angeordnet wird, in
die die erste Struktur 10 korrespondierend eingreift.
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Der
Anschlag 12 im Hohlraum 7 ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
kreuzförmig
ausgebildet, jedoch sind auch rechteckige, runde oder ovale, d.
h. beliebige Querschnitte für
den Anschlag 12 möglich.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
dass der Hohlraum 7 mit dem ersten Strömungskanal 5 gasführend, beispielsweise über eine Bohrung,
verbunden ist. Somit kann bereits bei sehr geringen Druckdifferenzen
das Dichtelement 8 deformiert werden, so dass bereits bei
sehr geringen Druckdifferenzen eine sehr gute Dichtwirkung des Dichtelementes 8 vorliegt.
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Bevorzugt
wird der erste Strömungskanal 5 – wie im
vorliegenden Ausführungsbeispiel – derart ausgeführt, dass
eine Strömungskontur
des Durchgangsströmungskanals 6 bzw.
zweiten Durchgangsströmungskanals 13 möglichst
unverändert
weitergeführt
wird. Diese Maßnahme
minimiert Strömungsverluste
in der erfindungsgemäß ausgestalteten
Walzenschieberanordnung 1.
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Vorzugsweise
wird das Dichtelement 8 aus einem Kunststoff und/oder einem
Metall gefertigt. Auch eine Kombination aus beiden Materialien ist möglich. Als
Kunststoffe können
beispielsweise thermoplastische Polymere oder Silikone verwendet
werden. Grundsätzlich
kann jeder flexible Kunststoff Verwendung finden. Für den Fall,
dass das Dichtelement 8 aus einem Metall gefertigt wird,
kann beispielsweise ein dünnes
Federblech zum Einsatz kommen. Bei der gemischten Bauweise ist es
möglich,
dass die Dichtwulst 9 von einem Drahtring verstärkt wird,
während
das Dichtelement 8 selbst beispielsweise aus einem thermoplastischen
Polymer ist. Der Drahtring kann bei der Herstellung des Dichtelements 8 beispielsweise
von dem thermoplastischen Polymer umgespritzt werden.
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Zusammengefasst
kann mit anderen Worten gesagt werden:
Das Dichtelement 8 ist
ein in einem Drehschiebergehäuse
(Gehäuse 2)
formschlüssig über einen
angespritzten Bund (erhabener Bereich 10), oder durch spezielle
Formgebung des Dichtelements 8, z. B. ein Tiefziehteil,
an einem Auflagerbund (zweite Struktur 11) im Drehschiebergehäuse (Gehäuse 2)
gelagert. Wird durch Drehung des Walzenschiebers 3 der zweite
Durchströmungskanal 13 geschlossen,
so wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Durchströmungskanal 6 und
dem zweiten Durchströmungskanal 13 das
Dichtelement 8 sattelförmig durchgebogen.
Der Bund am Drehschiebergehäuse dient
dabei als Auflager für
das Dichtelement 8. Die Dichtfläche (Dichtwulst 9)
des Dichtelements 8, welches am Rand des Dichtelements 8 ausgebildet
ist, wird dabei nach oben verformt. Dies reduziert das Spiel zwischen
dem Walzenschieber 3 und dem Drehschiebergehäuse und
es erfolgt eine sich mit steigender Druckdifferenz verstärkende Dichtwirkung zum
Drehschiebergehäuse.
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Die
Aufnahme der Schubkräfte
zwischen dem Dichtelement 8 und dem Walzenschieber 3 beim Öffnen und
Schließen
der Walzenschieberanordnung 1 wird durch die formschlüssige Anlage
des Gleitschuhbunds (erste Struktur 10) zum Auflagerbund (zweite
Struktur 11) des Walzenschiebers 3 garantiert.
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Durch
eine dauernde Anlage des seitlichen Dichtungsbereichs in radialer
Richtung ist eine Fixierung des Dichtelements 8 zwischen
dem Drehschiebergehäuse
und dem Walzenschieber 3 gewährleistet. Dadurch wird auch
ein minimaler Dichtungsverschleiß garantiert. Das Antriebsmoment
der erfindungsgemäßen Walzenschieberanordnung 1 ist
zum einen durch die großzügigere Spielgestaltung
klein. Es kann aber auch durch geeignete Gleitmittel, die in den
Werkstoff des Dichtelements 8 eingearbeitet sind, minimiert
werden, z.B. Teflon in Kunststoff. Ein eigenes Lager 15 für den Walzenschieber 3 im
Drehschiebergehäuse
reduziert ebenfalls das Antriebsmoment.
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Darüber hinaus
kann das Dichtelement 8 in ebener Ausführung auch in einer Flachschieberanordnung
eingesetzt werden. Das Dichtelement 8 dient auch in diesem
Fall als Dichtelement und Reibung reduzierendes Element.
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Im
Wesentlichen bringt die Erfindung folgende Vorteile:
- – Minimierung
der Leckage (Erhöhung
des Wirkungsgrades);
- – Dichtwirkung
wird mit steigender Druckdifferenz immer besser;
- – besonders
gute Robustheit;
- – Reduzierung
des Dichtungsverschleißes;
- – kein
thermisches Stecken durch großzügige Spielauslegung;
- – schnelle
Dichtwirkung bei Druckdifferenz zwischen Durchströmungskanal 6 und
zweiten Durchströmungskanal 13;
- – Minimierung
der Stellkraft des Dreh- oder Flachschiebers;
- – Einfacher
und kostengünstiger
Aufbau der Walzenschieberanordnung 1 ist möglich durch
die Verwendung von Kunststoff.
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- 1
- Walzenschieberanordnung
- 2
- Gehäuse
- 2'
- Gehäusedeckel
- 3
- Walzenschieber
- 3'
- Drehachse
- 4
- Wange
- 5
- erster
Strömungskanal
- 6
- Durchgangsströmungskanal
- 7
- Hohlraum
- 8
- Dichtelement
- 9
- Dichtwulst
- 10
- Erste
Struktur
- 11
- Zweite
Struktur
- 12
- Anschlag
- 13
- Zweiter
Durchgangsströmungskanal
- 14
- Zweite
Wange
- 15
- Lager
- 16
- Betätigungsarm
- 17
- Betätigungswelle