DE102007015873A1

DE102007015873A1 - Drosselklappenanordnung

Info

Publication number: DE102007015873A1
Application number: DE200710015873
Authority: DE
Inventors: Dietmar Bergbauer; Björn Nordmann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-10-09

Abstract

Eine Drosselklappenanordnung (10) für einen Luftansaugkanal einer Brennkraftmaschine weist eine erste Klappe (16) zum Regeln eines größeren Luftstroms und eine zweite Klappe (18) zum Regeln eines kleineren Luftstroms auf. Erfindungsgemäß weist die erste Klappe (16) eine Öffnung (36) auf, in der die zweite Klappe (18) relativ beweglich zur ersten Klappe (16) angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, auch kleinere Luftströme genau zu regeln, ohne den erforderlichen Bauraum und das damit verbundene Gewicht zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drosselklappenanordnung für einen Luftansaugkanal einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit deren Hilfe die der Brennkraftmaschine zuzuführende Luftmenge geregelt werden kann.
Um die Zylinder einer Brennkraftmaschine lastabhängig, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Gaspedalstellung, mit einer möglichst optimalen Luftmenge zu versorgen, ist es bekannt in einen Luftansaugkanal, der zu den Zylindern der Brennkraftmaschine führt, eine Drosselklappe anzuordnen. Bei Volllast ist die Drosselklappe maximal weit geöffnet, um die Zylinder mit einer maximal großen Luftmenge versorgen zu können. Um im Teillastbereich eine entsprechend niedrigere Luftmenge den Zylinder zuzuführen, ist es bekannt, die Drosselklappe nur teilweise zu öffnen.
Die Regelung der korrekten Luftmenge im Teillastbereich hat sich jedoch als problematisch erwiesen, da bereits geringfügige Ungenauigkeiten in der Winkelstellung der Drosselklappe zu deutlich unterschiedlichen Luftmengen führen. Um auch im Teillastbereich die zuzuführende Luftmenge möglichst genau zu regeln, ist es bekannt, eine Drosselklappenanordnung zu verwenden, bei der zwei nebeneinander geführte Kanäle vorgesehen sind. Hierbei weist der erste Kanal einen größeren Durchmesser als der zweite Kanal auf. In dem ersten Kanal ist eine erste Klappe angeordnet, mit deren Hilfe größere Luftströme geregelt werden können. In dem zweiten Kanal ist eine zweite Klappe angeordnet, um kleinere Luftströme zu regeln. Dadurch ist es möglich, im Teillastbereich mit der ersten Klappe den größeren Kanal zu verschließen und ausschließlich über die zweite Klappe in dem kleineren Kanal den Luftstrom zu regeln.
Nachteilig bei einer derartigen Drosselklappenanordnung ist der große Bauraum, der erforderlich ist, um diese Drosselklappenanordnung in einem Luftansaugkanal vorzusehen. Ferner ist es zur Ausbildung der beiden Kanäle erforderlich, verhältnismäßig viel Material bereitzustellen, wodurch sich das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erhöht und beim Betrieb des Kraftfahrzeuges ein erhöhter CO₂-Ausstoß auftritt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Drosselklappenanordnung zu schaffen, die bei verringertem Bauraum eine gute Regelung des Luftstroms im Teillastbetrieb ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Drosselklappenanordnung für einen Luftansaugkanal insbesondere eines Kraftfahrzeuges oder Hybridmotors weist eine erste Klappe und eine zweite Klappe auf. Mit Hilfe der ersten Klappe wird ein größerer Luftstrom geregelt. Mit der zweiten Klappe kann ein kleinerer Luftstrom geregelt werden. Erfindungsgemäß weist die erste Klappe eine Öffnung auf, um die zweite Klappe aufzunehmen. Die zweite Klappe ist innerhalb der Öffnung relativ zur ersten Klappe beweglich angeordnet.
Dadurch, dass erfindungsgemäß eine Klappe innerhalb einer anderen Klappe insbesondere in einer gemeinsamen Ebene angeordnet ist, benötigen beide Klappen lediglich den Bauraum einer vergleichbaren einzelnen Klappe. Ein zusätzlicher Kanal wird dadurch vermieden, so dass das Material für den zusätzlichen Kanal eingespart werden kann und das Gesamtgewicht der Drosselklappen anordnung sinkt. Durch das verringerte Gewicht wird zusätzlich der CO₂-Ausstoß eines Kraftfahrzeuges mit einer derartigen Drosselklappenanordnung reduziert.
Ferner sind zum Öffnen und Schließen des Luftansaugkanals, in dem die Drosselklappenanordnung vorgesehen ist, die Betätigungskräfte reduziert. In einem geschlossenen Zustand der Drosselklappenanordnung, in dem beide Klappen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und den Luftansaugkanal verschließen, kann zunächst nur die kleinere, innere, zweite Klappe geöffnet werden. Auf Grund der kleineren Fläche der kleinen Klappe ist bei Anliegen eines Drucks im Luftansaugkanal eine kleinere Stellkraft erforderlich, als wenn eine einzige größere Klappe betätigt würde. Nach dem Öffnen der zweiten Klappe kann sich zwischen der Anströmseite und der Abströmseite der Drosselklappenanordnung bereits ein Druckausgleich einstellen, so dass zum Betätigen der größeren, äußeren, ersten Klappe eine verhältnismäßig geringere Kraft erforderlich ist. Da somit das Öffnen eines Luftansaugkanals zweistufig erfolgen kann und hierfür nur verhältnismäßig geringe Stellkräfte erforderlich sind, kann ein entsprechend kleiner dimensioniertes Betätigungsmittel, beispielsweise ein Stellmotor mit geringerer Leistung, vorgesehen werden. Dadurch werden der Stauraum und das Gewicht der Drosselklappenanordnung zusätzlich reduziert.
Die erste Klappe und die zweite Klappe sind insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt, weist die erste äußere Klappe eine Hohlwelle auf, mit deren Hilfe die erste Klappe betätigt werden kann, dass heißt geöffnet und geschlossen werden kann. Die zweite innere Klappe weist entsprechend eine Welle auf, die innerhalb der Hohlwelle geführt ist und bezüglich der Hohlwelle relativ beweglich ist. Dadurch ist es möglich, dass die erste Klappe und die zweite Klappe über konzentrisch zueinander angeordnete Wellen betätigt werden können. Besonders bevorzugt ragt die innere Welle nach radial außen aus der äußeren Hohlwelle hinaus. Dadurch ergibt sich sowohl bei der äußeren Hohlwelle als auch bei der inneren Hohlwelle jeweils ein zu gänglicher Befestigungsbereich, über den beispielsweise über ein Zahnrad ein Betätigungsmittel mit der jeweiligen Welle befestigt werden kann. Es ist somit möglich, sowohl die erste Klappe als auch die zweite Klappe jeweils unabhängig voneinander zu betätigen. Ferner kann, beispielsweise über ein entsprechendes ausgestaltetes Getriebe wahlweise eine Kopplung der ersten Klappe mit der zweiten Klappe erreicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Hohlwelle durch die erste Klappe selbst ausgebildet. Hierzu kann die erste Klappe beispielsweise zweiteilig ausgeführt sein. Die erste Klappe weist somit vorzugsweise ein erstes Teilstück und ein mit dem ersten Teilstück verbundenes zweites Teilstück auf. Das erste Teilstück und das zweite Teilstück weisen jeweils einen Ansatz auf, der das jeweils andere Teilstück zumindest teilweise überdeckt. Die Ansätze sind durch ein Umformverfahren, beispielsweise Prägen, Kaltumformen oder dergleichen, geformt. Insbesondere sind zwei übereinander liegende Ansätze vorgesehen, die jeweils eine Rohrhälfte ausbilden und sich gemeinsam zur Hohlwelle ergänzen. Besonders bevorzugt weisen die Ansätze Überdeckungsbereiche auf, in denen das erste Teilstück flächig an dem zweiten Teilstück anliegt, wodurch die beiden Teilstücke einfach, beispielsweise durch Löten, miteinander verbunden werden können. Somit ist es durch einfache und preiswerte Fertigungsverfahren möglich, die Drosselklappenanordnung herzustellen.
Vorzugsweise weist die Drosselklappenanordnung ein Rohrstück auf, das im eingebauten Zustand einen Teil des Luftansaugkanals ausbildet. Das Rohrstück weist insbesondere eine Betätigungsöffnung auf, durch die eine mit der ersten Klappe verbundene Welle bzw. Hohlwelle hindurch geführt werden kann. Radial außerhalb des Rohrstücks kann an der hindurchgeführten Welle ein geeignetes Betätigungsmittel angeschlossen werden. Die Außenmaße der ersten Klappe sind derart gewählt, dass die erste Klappe im geschlossenen Zustand im wesentlichen am gesamten Umfang an einer Innenwand des Rohrstücks anliegt, dass heißt das Rohrstück vollständig verschließen kann. Hierzu ist es nicht erforderlich, dass die erste Klappe kreisförmig bzw. kreisringförmig ausgestaltet ist. Je nach Anwendungsfall kann eine elliptische Gestaltung vorteilhaft sein, um ein vollständiges Verschließen des Rohrstücks bzw. des Luftansaugkanals zu gewährleisten. Dadurch, dass die erste Klappe und die zweite Klappe innerhalb des Rohrstücks vormontiert sind, kann die Drosselklappenanordnung als ein gemeinsames Modul in dem Luftansaugkanal integriert werde. Besonders bevorzugt ist das Rohrstück mit einem Befestigungsansatz verbunden, über den das Rohrstück bzw. die Drosselklappenanordnung mit dem Luftansaugkanal und/oder mit einem Motorblock an der Brennkraftmaschine verbunden werden kann. Der Befestigungsansatz ist hierfür insbesondere als Flansch ausgestaltet, um über eine Schraubenverbindung und eine an den Flanschflächen anliegende Dichtung eine sichere und dichte Befestigung zu erreichen.
Besonders bevorzugt weist die erste Klappe und/oder die zweite Klappe einen Mitnehmer auf, mit dessen Hilfe die jeweils andere Klappe mitbewegt werden kann. Mit Hilfe der Mitnehmer ist es beispielsweise möglich, dass beim Öffnen zunächst die kleinere, zweite Klappe öffnet und ab einem bestimmten Winkel die erste, äußere Klappe mitbewegt wird, dass heißt mit öffnet. Entsprechend kann beim Schließen die erste Klappe zunächst soweit bewegt werden, bis die erste Klappe und die zweite Klappe in einer Ebene angeordnet sind, um dann die zweite Klappe mitzubewegen, so dass im geschlossenen Zustand der Luftansaugkanal vollständig geschlossen ist.
Die Bewegbarkeit der zweiten Klappe zur ersten Klappe ist vorzugsweise begrenzt, damit durch eine zu starke Drehung der zweiten Klappe kein gegenteiliger Effekt auftritt. Hierbei wird insbesondere berücksichtigt, dass ein verhältnismäßig großer Öffnungswinkel der zweiten Klappe zur ersten Klappe nicht erforderlich ist, da in diesem Fall bereits die zweite Klappe teilweise geöffnet werden kann, um den selben Effekt zu erreichen. Die Relativbewegung der zweiten Klappe im Verhältnis zur ersten Klappe weist somit ein Winkelbereich von insbesondere ± 90°, vorzugsweise ± 45° und besonders bevorzugt ± 20° auf.
Die Erfindung betrifft ferner einen Luftansaugkanal, mit dem Luft aus einem Lufteinlass zu einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeuges oder Hybridmotors angesaugt werden kann. Der Luftansaugkanal weist eine Drosselklappenanordnung auf, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Öffnen eines Luftansaugkanals für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Hybridmotors, wobei der Luftansaugkanal eine Drosselklappenanordnung aufweist, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Bei dem erfindungsgemäßen Öffnungsverfahren befindet sich die Drosselklappenanordnung in einem geschlossenen Zustand, in dem der Luftansaugkanal im Wesentlichen vollständig geschlossen ist. Zum Öffnen des Luftansaugkanals wird zunächst nur die zweite, kleinere Klappe betätigt. Erst danach wird die erste, größere Klappe betätigt, wobei es hierbei grundsätzlich möglich ist, dass die erste Klappe zumindest zeitweise gleichzeitig mit der zweiten Klappe betätigt wird und/oder die erste Klappe zumindest zeitweise ausschließlich, dass heißt ohne Betätigung der zweiten Klappe, betätigt wird. Da zunächst nur die kleinere Klappe betätigt wird, sind lediglich geringe Stellkräfte erforderlich, um den Luftansaugkanal zu öffnen. Gleichzeitig kann eine verhältnismäßig gute Regelung auch kleinere Luftströmungen erreicht werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schließen eines Luftansaugkanals für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Hybridmotors, wobei der Luftansaugkanal eine Drosselklappenanordnung aufweist, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Bei dem erfindungsgemäßen Schließverfahren befindet sich die Drosselklappenanordnung in einem zumindest teilweise geöffneten Zustand. Das heißt die erste Klappe und/oder die zweite Klappe sind zumindest teilweise gegenüber ihrer Schließstellung gedreht. Zum Schließen des Luftansaugkanals wird zunächst nur die erste Klappe oder nur die zweite Klappe betätigt. Die Betätigung der ersten Klappe erfolgt solange bis die erste Klappe und die zweite Klappe in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Anschließend werden die erste Klappe und die zweite Klappe gemeinsam betätigt. Die erste Klappe und die zweite Klappe verhalten sich dabei insbesondere wie eine einzige gemeinsame Klappe. Die erste Klappe und die zweite Klappe werden solange gemeinsam bestätigt, bis der Luftansaugkanal im Wesentlichen vollständig geschlossen ist. Durch dieses Vorgehen ist es möglich verhältnismäßig geringe Massen aus einer Ruhelage in eine Bewegungslage zu beschleunigen, so dass nur geringe Stellkräfte erforderlich sind. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Klappe über einen Anschlag an der zweiten Klappe anschlägt und durch diese Impulsübertragung die zweite Klappe aus ihrer Ruhelage herausbewegt. Dadurch ist es möglich mit Hilfe eines vergleichsweise kleindimensionierten Antriebmotors den Luftansaugkanal sicher zu verschließen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Drosselklappenanordnung in einer geschlossenen Stellung,
2 eine schematische perspektivische Ansicht der Drosselklappenanordnung aus 1 in einer teilweise geöffneten Stellung und
3 eine schematische perspektivische Ansicht der Drosselklappenanordnung aus 1 in einer geöffneten Stellung.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Drosselklappenanordnung 10 weist ein Rohstück 12 auf, das über einen Befestigungsan satz 14 an ein Saugrohr eines Luftansaugkanals oder einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeflanscht werden kann. Innerhalb des Rohrstücks 12 ist eine größere äußere erste Klappe 16 angeordnet, innerhalb der eine kleinere innere zweite Klappe 18 angeordnet ist. Die erste Klappe 16 liegt dabei im geschlossenen Zustand mit ihrem gesamten Umfang an einer Innenwand 38 des Rohrstücks 12 an.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erste Klappe 16 ein erstes Teilstück 20 und ein zweites Teilstück 22 auf, die über Ansätze 24 miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben und dergleichen. Die Ansätze 24 des ersten Teilstücks 20 und des zweiten Teilstücks 22 überlappen sich sowohl auf der sichtbaren Oberseite als auch auf der nicht sichtbaren Unterseite der ersten Klappe 16. Die Ansätze 24 bilden jeweils die Hälfte eines Rohres aus und ergänzen sich gemeinsam zu einer Hohlwelle 26. Innerhalb der Hohlwelle 26 der ersten Klappe 16 ist eine Welle 28 drehbar gelagert, die mit der zweiten Klappe 18 verbunden ist, um die zweite Klappe 18 relativ zur ersten Klappe 16 betätigen zu können. Die Hohlwelle 26 und die konzentrisch zur Hohlwelle 26 angeordnete Welle 28 sind über eine Betätigungsöffnung 30, die sowohl durch das Rohrstück 12 als auch den Befestigungsansatz 14 führt, nach außen geführt. Die Welle 28 ragt hierbei soweit aus der Hohlwelle 30 heraus, dass sich jeweils Befestigungsbereiche 32, 34 ergeben, über die jeweils ein Betätigungsmittel, wie beispielsweise ein Stellmotor, befestigt werden kann. Die innerhalb einer Öffnung 36 der ersten Klappe 16 angeordneten zweiten Klappe 18 kann zum Öffnen des Rohrstücks 12 relativ zur ersten Klappe 16 gedreht werden, wobei die erste Klappe 16 zunächst unverändert bleibt (2).
Um das Rohrstück 12 vollständig zu öffnen (3) wird anschließend auch die erste Klappe 16 betätigt, wobei im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine sowohl die erste Klappe 16 als auch die zweite Klappe 18 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind um einen besonders geringen Strömungswiderstand bieten. Zum Schließen des Rohrstücks 12 können dann beide in einer Ebene angeordneten Klappen 16, 18 gemeinsam wie eine einzige Klappe betätigt werden. Wenn das Rohrstück 12 von einer teilgeöffneten Stellung ausgehend geschlossen werden soll, ist es möglich, dass zunächst nur die erste Klappe 16 oder nur die erste Klappe 18 betätigt wird, bis sowohl die erste Klappe 16 als auch die zweite Klappe 18 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, um beide Klappen 16, 18 anschließend vergleichbar zu einer einzigen Klappe gemeinsam zu betätigen.

10: Drosselklappenanordnung
12: Rohrstück
14: Befestigungsansatz
16: erste Klappe
18: zweite Klappe
20: erstes Teilstück
22: zweites Teilstück
24: Ansatz
26: Hohlwelle
28: Welle
30: Betätigungsöffnung
32: erster Befestigungsbereich
34: zweiter Befestigungsbereich
36: Öffnung
38: Innenwand

Claims

Drosselklappenanordnung für einen Luftansaugkanal einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine erste Klappe (16) zum Regeln eines größeren Luftstroms und eine zweite Klappe (18) zum Regeln eines kleineren Luftstroms dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klappe (16) eine Öffnung aufweist, wobei die zweite Klappe (18) in der Öffnung relativ beweglich zur ersten Klappe (16) angeordnet ist.
Drosselklappenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klappe (16) eine Hohlwelle (26) zur Betätigung der ersten Klappe (16) aufweist und die zweite Klappe (18) eine Welle (28) zur Betätigung der zweiten Klappe (18) aufweist, wobei die Welle (28) relativbeweglich innerhalb der Hohlwelle (26) geführt ist.
Drosselklappenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (28) nach radial außen aus der Hohlwelle (26) herausragt, so dass die Hohlwelle (26) einen ersten zugänglichen Befestigungsbereich (32) zur Befestigung mit einem Betätigungsmittel und die Welle (28) einen zweiten zugänglichen Befestigungsbereich (34) zur Befestigung mit einem Betätigungsmittel aufweisen.
Drosselklappenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klappe (16) ein erstes Teilstück (20) und ein mit dem ersten Teilstück (20) verbundenes zweites Teilstück (22) aufweist, wobei das erste Teilstück (20) und das zweite Teilstück (22) jeweils einen geformten Ansatz (24) aufweisen und die geformten Ansätze (24) gemeinsam die Hohlwelle (26) ausbilden.
Drosselklappenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappenanordnung (10) ein Rohrstück (12) zur Ausbildung eines Teils des Luftansaugkanals aufweist, wobei das Rohrstück (12) eine Betätigungsöffnung (30) zum Hindurchführen einer mit der ersten Klappe (16) verbundenen Welle oder Hohlwelle (26) aufweist, wobei die Außenmaße der ersten Klappe (16) derart gewählt sind, dass die erste Klappe (16) im geschlossenen Zustand im Wesentlichen am gesamten Umfang an einer Innenwand (38) des Rohrstücks (12) anliegt.
Drosselklappenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (12) mit einem Befestigungsansatz (14) zur Befestigung mit dem Luftansaugkanal und/oder mit einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine verbunden ist.
Drosselklappenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klappe (16) und/oder die zweite Klappe (18) einen Mitnehmer zum Mitbewegen der jeweils anderen Klappe (18, 16) aufweisen.
Drosselklappenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Klappe (18) relativ zur ersten Klappe (16) um einen Winkelbereich von ± 90°, insbesondere ± 45° und vorzugsweise ± 20° bewegbar ist.
Luftansaugkanal zum Ansaugen von Luft aus einem Lufteinlass zu einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Drosselklappenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Öffnen eines Luftansaugkanals für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Luftansaugkanal eine Drosselklappenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, bei dem in einem im Wesentlichen vollständig geschlossenen Zustand des Luftansaugkanals (12) zunächst nur die zweite Klappe (18) betätigt wird und anschließend die erste Klappe (16) betätigt wird, wobei die erste Klappe (16) zumindest zeitweise gleichzeitig mit der zweiten Klappe (18) und/oder ausschließlich betätigt wird.
Verfahren zum Schließen eines Luftansaugkanals für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Luftansaugkanal eine Drosselklappenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, bei dem in einem zumindest teilweise geöffneten Zustand des Luftansaugkanals (12) zunächst nur die erste Klappe (16) oder nur die zweite Klappe (18) solange betätigt wird bis die erste Klappe (16) und die zweite Klappe (18) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und anschließend die erste Klappe (16) und die zweite Klappe (18) gemeinsam betätigt werden bis der Luftansaugkanal (12) im Wesentlichen vollständig geschlossen ist.