DE102015116077A1

DE102015116077A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102015116077A1
Application number: DE102015116077.3A
Authority: DE
Inventors: Kazutoshi Wakatsuki; Nakaya Takagaki; Hideyuki Komitsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-04-14
Also published as: JP2016079807A; US20160102770A1; CN105508059A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventilteil 38 einer Ventilanordnung 32, das mittels einer Rotationswelle 40 durch ein Außenrohr 34 abgestützt ist. Die Rotationswelle 40 ist an einer Stelle an dem Ventilteil 38 angebracht, die innerhalb einer Tangente an dem Außenumfang des Ventilteils 38 sowie beabstandet zu dem Mittelpunkt angeordnet ist. Eine Rückholfeder 52 in Form einer Zugfeder erzeugt eine Zugkraft, die dauerhaft an einem Verbindungsarm 54 einwirkt, um eine Drehkraft in der Schließrichtung des Ventilteils 38 zu erzeugen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die hierin erläuterten Ausführungsbeispiele sind auf eine Ventilanordnung bezogen.
Hintergrund
Eine in einer Abgasleitung angeordnete Ventilanordnung ist bspw. mit der japanischen Gebrauchsmusterschrift JP H03-51124 U umgesetzt. Diese Gebrauchsmusterschrift JP H03-51124 U beschreibt eine Anordnung, die an einer Außenhülle eines Schalldämpfers vorgesehen ist, in dem der Ventilkörper um eine Welle rotiert sowie eine Öffnung öffnet, wenn ein Abgas mit hohem Druck auf einen gegen die Öffnung mittels einer Feder gedrückten Ventilkörper wirkt.
Als weiteres Beispiel ist in der Offenlegungsschrift zu der japanischen Patentanmeldung JP H09-303143 A eine Anordnung beschrieben, in der ein Drosselventil mit einer Ventilwelle verbunden ist, sodass diese relativ zu einem Gehäuse verdrehbar ist. In dieser JP H09-303143 A ist das Drosselventil dauerhaft in Schließrichtung durch die Abstützkraft einer Rückholfeder abgestützt, die um den Außenumfang der Ventilwelle herumgewickelt ist. Die Anordnung der JP H09-303143 A ist so gewählt, dass die Federkraft einer Druckfeder auf ein mit der Ventilwelle verbundenes Verbindungsglied einwirkt. Wenn das Drosselventil geöffnet ist, wirkt die Federkraft der Druckfeder in Schließrichtung des Drosselventils bis zu einem Punkt, an dem ein Verbindungsstift des Verbindungsglieds eine Umschlagsposition erreicht. Wenn der Verbindungsstift die Umschlagsposition durchfährt, wirkt die Federkraft der Druckfeder in der Öffnungsrichtung des Drosselventils.
Somit sind die beiden Stand der Technik Dokumente JP H03-51124 U sowie JP H09-303143 A bekannt.
Als eine Ventilanordnung zum Öffnen und Schließen des Inneren einer Abgasleitung durch Verdrehung (Verschwenkung) eines Ventilteils ist eine Anordnung bekannt, in der ein Ventilteil in einer geschlossenen Stellung durch Anbringen einer Feder oder ähnlichem, vorgespannt ist. Wenn ein Teil einer Federkraft als eine große Last auf eine Welle eines Ventilteils wirkt, wird auch die Reibung an einem Wellenlagerabschnitt groß, was wiederum dazu führt, dass das Ventilteil schwierig zu schließen ist. Falls die in Schließrichtung wirkende Federkraft groß gewählt wird, um das Ventilteil verlässlich zu schließen (bzw. in der geschlossenen Stellung abzustützen), ist es hingegen schwierig, einen großen Öffnungswinkel zur Verfügung zu stellen.
Auch wenn eine Anordnung denkbar ist, in der ein Verbindungsglied an einer Rotationswelle angebracht ist sowie eine Federkraft auf dieses Verbindungsglied einwirkt, ist es in einer Anordnung, in der eine Torsionsfeder um eine Rotationswelle herum gewunden ist, ferner schwierig, eine ausreichend wirksame Länge für dieses Verbindungsglied zur Verfügung zu stellen.
In Anbetracht der zuvor genannten Umstände ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilanordnung zu erzielen, durch die ein großer Öffnungswinkel des Ventilteils durch Verringerung der Reibung zwischen Rotationswelle und Wellenlager umgesetzt werden soll, indem die Abstützkraft eines Abstützteils, das ein Ventilteil in der Schließrichtung abstützt, verringert werden soll.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Teilaspekt ist ein Ventilteil an einer Abgasleitung vorgesehen, wobei das Ventilteil auf einen Kontakt mit einem Abgas hin von einer die Abgasleitung abschließenden geschlossenen Stellung zu einer die Abgasleitung öffnenden geöffneten Stellung verdreht wird. Eine Rotationswelle ist dabei an einer Stelle an dem Ventilteil angebracht, welche Stelle, bei Betrachtung des Ventilteils entlang einer Abgasströmungsrichtung, innerhalb einer Tangente an einem Außenumfang des Ventilteils sowie beabstandet zu einem Mittelpunkt des Ventilteils angeordnet ist, wobei die Rotationswelle so mit der Abgasleitung verbunden ist, dass sie drehbar ist. Auch ist ein Verbindungsteil vorgesehen, das an der Rotationswelle angebracht ist und einen Aktionspunkt an einer Stelle aufweist, die in der Strömungsrichtung gesehen von der Rotationswelle beabstandet ist. Desweiteren ist eine Zugfeder an der Abgasleitung vorgesehen, die eine dauerhaft auf den Aktionspunkt einwirkende Zugkraft erzeugt, um eine Drehkraft in einer Schließrichtung des Ventilteils zu erzeugen.
In dieser Ventilanordnung rotiert das Ventilteil zusammen mit der ein Rotationszentrum ausbildenden Rotationswelle und öffnet sowie schließt das Innere der Abgasleitung.
Eine Zugkraft der Zugfeder wirkt auf den Aktionspunkt des an der Rotationswelle angebrachten Verbindungsteils. Ein Teil dieser Zugkraft wirkt in Form einer Drehkraft auf die Rotationswelle in einer Schließrichtung des Ventilteils. Das Ventilteil erfährt somit eine Drehkraft in Schließrichtung durch die Zugkraft der Zugfeder. Wenn die durch das Abgas auf das Ventilteil in seiner Öffnungsrichtung wirkende Kraft groß wird, wird das Ventilteil in Öffnungsrichtung gegen die in Schließrichtung wirkende Drehkraft der die Zugkraft erzeugenden Zugfeder verdreht.
Die Rotationswelle (das Rotationszentrum) ist an einer Stelle angeordnet, die innerhalb einer Tangente an dem Außenumfang des Ventilteils liegt sowie beabstandet zu dem Mittelpunkt des Ventilteils angeordnet ist. Somit wirken durch das Abgas auf das Ventilteil aufgebrachte Kräfte als Drehkräfte auf einen großen Oberflächenabschnitt (einer Fläche, die den Mittelpunkt aufweist/eine Druckabstützfläche) sowie auf einen kleinen Oberflächenabschnitt (eine Fläche, die den Mittelpunkt nicht umfasst) in entgegengesetzten Richtungen zueinander, wobei die Flächenabschnitte durch die dazwischen angeordnete Rotationswelle voneinander abgegrenzt sind. Ein Bestandsteil der durch das Abgas auf den großen Oberflächenabschnitt des Ventilteils wirkenden Kraft wird durch die auf den kleinen Oberflächenabschnitt wirkende Kraft aufgehoben. Die resultierende Kraft des Abgases, die auf das Ventilteil in seiner Öffnungsrichtung wirkt, ist dementsprechend kleiner als in Anordnungen, in denen die Rotationswelle außerhalb der Tangente des Außenumfangsbereiches des Ventilteils angeordnet ist.
Demnach ist die durch das Abgas auf das Ventilteil in Öffnungsrichtung einwirkende Kraft kleiner und dadurch kann das Ventilteil, auch wenn die Zugfeder nur eine geringe Zugkraft aufweist, entweder stets verlässlich in die geschlossene Stellung zurück verbracht werden oder die geschlossene Stellung kann in einem Zustand, in dem ein schwacher Strömung an Abgas besteht, beibehalten werden.
Durch Verringern der Zugkraft der Zugfeder, wird auch jener Bestandteil der Zugkraft der Zugfeder geringer, der auf die Rotationswelle in Richtung des Rotationszentrums wirkt. Auch wenn eine Reibungskraft zwischen der Rotationswelle und den Wellenlagern wirkt, ist diese Reibungskraft doch deutlich geringer. Das Herabsetzen der Reibungskraft ermöglicht wiederum einen großen Rotationswinkel, der für die geöffnete Stellung des Ventilteils umsetzbar ist.
Zusätzlich ist die Zugfeder in diesem ersten Teilaspekt jenes Teil, das eine, eine Drehkraft des Ventilteils in seiner Schließrichtung erzeugende Zugkraft verursacht, um dauerhaft auf den Aktionspunkt einzuwirken. Dieses Teil ermöglicht wiederum einen hohen Freiheitsgrad in der Ausformung eines Verbindungsteils im Vergleich zu Anordnungen, in denen dieses Teil durch eine um die Rotationswelle bspw. herum gewundene Torsionsfeder vorgegeben ist. Durch das Festlegen der Stelle des Aktionspunktes des Verbindungselementes in einem ausreichenden Abstand weg von der Rotationswelle, wird das auf die Rotationswelle wirkende Drehmoment größer. Dies ermöglicht wiederum, dass die Zugfeder mit einer kleineren Zugkraft ausgestaltet werden kann, was wiederum den Bestandteil der mittels der Zugfeder in Richtung des Rotationszentrums auf die Rotationswelle wirkenden Zugkraft verringert.
In einem zweiten Teilaspekt, der den ersten Teilaspekt mit umfasst, ist eine den Mittelpunkt des Ventilteils aufweisende Druckabstützfläche vorgesehen, die in Strömungsrichtung gesehen, eine zu einer stromabwärtsgerichteten Seite hin gewölbte Form aufweist.
Demzufolge wird der aufgrund des Abgasstromes wirkende Oberflächendruck höher, wenn das Ventilteil in der geöffneten Stellung ausgerichtet ist; auch die Kraft, die das Ventilteil in die geöffnete Stellung verdreht, wird mit zunehmendem Abstand zur Rotationswelle größer.
In einem dritten Teilaspekt, in dem der zweite Teilaspekt mit umfasst ist, steigt eine Wölbung/Krümmung der Druckabstützfläche, bei Betrachtung in einem Querschnitt entlang der Strömungsrichtung, mit zunehmendem Abstand von der Rotationswelle weg an oder bleibt konstant.
Wenn die Krümmung der Druckabstützfläche, in Betrachtung des entlang der Strömungsrichtung durchgeführten Querschnittes, so geformt ist, dass sie mit zunehmendem Abstand von dem Rotationszentrum weg abnimmt, besteht die Gefahr, dass ein negativer Druck erzeugt werden kann, wenn das Abgas die Druckabstützfläche trifft und entlang der Druckabstützfläche entlang strömt. Durch Ausbildung der Krümmung der Druckabstützfläche gemäß dem dritten Teilaspekt, wobei diese Krümmung mit zunehmendem Abstand von dem Rotationszentrum zunimmt oder konstant bleibt, kann ein negativer Druck vermieden werden, wodurch es möglich ist, dass eine große Kraft, die das Ventilteil in die Öffnungsstellung verdreht, erzeugt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ventilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Abgasleitung darstellt.
2 ist eine stirnseitige Ansicht, die eine Ventilanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Auspuffleitung darstellt, wobei die Ventilanordnung in Strömungsrichtung gesehen von einer stromaufwärtsgerichteten Seite zu erkennen ist.
3 ist eine Draufsicht, die eine Ventilanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Abgasleitung darstellt.
4 ist eine Seitenansicht, die eine Ventilanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Abgasleitung darstellt.
5 ist ein entlang der Linie 5-5 in 2 durchgeführter Querschnitt, der einen geschlossenen Zustand eines Ventilteiles in einer Ventilanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
6 ist ein Querschnitt, der an derselben Position wie der Querschnitt nach 5 durchgeführt ist, wobei dieser nun einen geöffneten Zustand eines Ventilteils in einer Ventilanordnung des ersten Ausführungsbeispieles darstellt.
7A ist eine schematische Diagrammdarstellung, die einen Zusammenhang zwischen einem Ventilteil und einer Rotationswelle eines ersten vergleichbaren Beispieles veranschaulicht.
7B ist eine schematische Diagrammdarstellung, die einen Zusammenhang zwischen einem Ventilteil und einer Rotationswelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
7C ist eine schematische Diagrammdarstellung, die einen Zusammenhang zwischen einer Ventilanordnung und einer Rotationswelle einer Anordnung veranschaulicht, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
8A ist eine schematische Diagrammdarstellung, die einen Zusammenhang zwischen einem Ventilteil und einer Rotationswelle eines ersten vergleichbaren Beispieles veranschaulicht.
8B ist eine schematische Diagrammdarstellung, die einen Zusammenhang zwischen einem Ventilteil und einer Rotationswelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
8C ist eine schematische Diagrammdarstellung, die einen Zusammenhang zwischen einer Ventilanordnung und einer Rotationswelle einer Anordnung veranschaulicht, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
9A ist eine beispielhafte Diagrammdarstellung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Zugkraft einer Rückholfeder auf ein Ventilteil in einer geschlossenen Stellung einwirkt.
9B ist eine beispielhafte Diagrammdarstellung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Zugkraft einer Rückholfeder auf ein Ventilteil zwischen seiner geschlossenen Stellung und seiner geöffneten Stellung einwirkt.
9C ist eine beispielhafte Diagrammdarstellung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Zugkraft einer Rückholfeder auf ein Ventilteil in einer geöffneten Stellung einwirkt.
10 ist eine graphische Darstellung, in der qualitativ ein Zusammenhang zwischen einer auf ein Ventilteil wirkenden Drehkraft und einem Öffnungswinkel des Ventilteils nach dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ventilanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Abgasleitung darstellt.
12 ist ein Querschnitt, der eine Ventilanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Ventilteil in einem geschlossenen Zustand veranschaulicht.
13 ist ein Querschnitt, der eine Ventilanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Ventilteil in einem geöffneten Zustand veranschaulicht.
14A ist eine schematische Diagrammdarstellung, die eine Ventilanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Ventilteil in einem geschlossenen Zustand veranschaulicht.
14B ist eine schematische Diagrammdarstellung, die eine Ventilanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Ventilteil in einem geöffneten Zustand veranschaulicht.
15A ist eine schematische Diagrammdarstellung, die eine Ventilanordnung gemäß einer ersten modifizierten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Ventilteil in einem geschlossenen Zustand veranschaulicht.
15B ist eine schematische Diagrammdarstellung, die eine Ventilanordnung gemäß einer ersten modifizierten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Ventilteil in einem geöffneten Zustand veranschaulicht.
16A ist eine schematische Diagrammdarstellung, die eine Ventilanordnung gemäß einer zweiten modifizierten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Ventilteil in einem geschlossenen Zustand veranschaulicht.
16B ist eine schematische Diagrammdarstellung, die eine Ventilanordnung gemäß einer zweiten modifizierten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Ventilteil in einem geöffneten Zustand veranschaulicht.
17 ist eine stirnseitige Ansicht, die eine Ventilanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Auspuffleitung darstellt, wobei die Ventilanordnung in Strömungsrichtung gesehen von einer stromaufwärtsgerichteten Seite zu erkennen ist.
18 ist eine Seitenansicht, die eine Ventilanordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Abschnitt einer Abgasleitung darstellt.
19 ist eine beispielhafte Diagrammdarstellung, die einen Zustand veranschaulicht, in dem in dem dritten Ausführungsbeispiel eine Zugkraft einer Rückholfeder auf ein Ventilteil in einer geöffneten Stellung einwirkt.
20 ist eine graphische Darstellung, in der qualitativ ein Zusammenhang zwischen einer auf ein Ventilteil wirkenden Drehkraft und einem Öffnungswinkel des Ventilteils nach dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist.
21 ist eine graphische Darstellung, in der qualitativ ein Zusammenhang zwischen einem Gegendruck in einer Abgasleitung und den Motordrehzahlen veranschaulicht ist.
22 ist eine graphische Darstellung, in der qualitativ ein Zusammenhang zwischen einem Schalldruckpegel in einer Auspuffleitung und den
Motordrehzahlen veranschaulicht ist.
23 ist eine graphische Darstellung, in der qualitativ ein Zusammenhang zwischen einer Amplitude sowie einer Frequenz eines Ventilteils und den Motordrehzahlen veranschaulicht ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Es folgt zunächst eine Erläuterung unter Betrachtung einer Ventilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen.
Wie mit den 1 bis 3 dargestellt, weist eine Ventilanordnung 32 des ersten Ausführungsbeispiels ein Außenrohr 34 auf. Eine Abgas-/Auspuffleitung, durch die ein Abgas eines Motors fließt, kann durch das Außenrohr 34 ausgebildet werden und kann bspw. in Fällen, in denen sich eine Abgasleitung zumindest abschnittsweise verzweigt, durch ein abgezweigter Abschnitt (abgezweigte Leitung) umgesetzt sein. Des Weiteren kann das Außenrohr 34 eine Leitung sein, die innerhalb eines Schalldämpfers angeordnet ist, wenn eine Anordnung vorgesehen ist, in der ein Schalldämpfer in einer Abgasleitung vorgesehen ist. Jeder der Anordnungen resultiert jedoch in einer in einer Abgasleitung angeordneten Ventilanordnung 32.
Die Richtung/Strömungsrichtung eines Abgasstromes ist durch den Pfeil F1 in den Zeichnungen veranschaulicht. Die Referenz auf „stromaufwärts” und „stromabwärts” bezieht sich jeweils wiederum auf „stromaufwärts” und „stromabwärts” entlang der Richtung des Abgasstromes gesehen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Außenrohr 34 gesamtheitlich eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Die Strömungsrichtung des Abgases entspricht der axialen Richtung des Außenrohres 34.
Wie in 1 sowie 3 dargestellt, sind in dem Außenrohr 34 des vorliegenden Ausführungsbeispiels zwei Einbuchtungen/Vertiefungen 36 in Form von zur Innenseite hin gerichteter Einbuchtungen (in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung) in einem axialen Abschnitt des Außenrohrs 34 sowie an sich gegenüberliegenden Bereichen in Umfangsrichtung gesehen ausgeformt. Das Außenrohr 34 weist eine höhere Oberflächensteifigkeit in den Bereichen, in denen die Vertiefungen 36 ausgeformt sind, auf als in Bereichen, in denen die Vertiefungen 36 nicht ausgeformt sind.
Die Ventilanordnung 32 enthält ein Ventilteil 38, das innerhalb des Außenrohrs 34 eingesetzt ist. Wie in 1 dargestellt, ist das Ventilteil 38 an einer Stelle angeordnet, an der auch die Vertiefungen 36 ausgeformt sind. Das Ventilteil 38 ist ein plattenförmiges Teil, das vorgesehen ist, das Innere des Außenrohrs 34 entlang der Abgasströmungsrichtung gesehen (entlang dem Pfeil F1) abzuschließen. Insbesondere ist das Ventilteil 38 in dem ersten Ausführungsbeispiel eine flach/eben ausgeformte Platte.
Die Form des Ventilteils 38, bei der Betrachtung von einer Stirnseite (wie entlang des Pfeils F1 betrachtet), entspricht in dem ersten Ausführungsbeispiel einer im Wesentlichen runden Form, die der Innenform des Außenrohres 34 entspricht, wie es insbesondere aus 2 ersichtlich ist. Jedoch sind auch mit den Vertiefungen 36 korrespondiere Bereiche des Ventilteils 38 geradlinig ausgeformt, sodass das Ventilteil 38 gesamtheitlich eine ovale Außenumfangs-/Außenumrissform aufweist.
Der Mittelpunkt CP des Ventilteils 38, wie in 2 dargestellt, ist, bei Betrachtung des Ventilteils 38 in einer stirnseitigen Ansicht (entlang des Pfeils F1), jener Punkt in der Mitte/Flächenmitte des Oberflächenbereiches. Wenn das Ventilteil 38 mittels einer durch den Mittelpunkt CP verlaufenden geraden Linie (z. B. der geraden Linie 11) in zwei Abschnitte geteilt ist, entsprechen die Oberflächenabschnitte dieser beiden geteilten Flächen des Ventilteils 38 einander.
Eine Rotationswelle 40 ist mit dem Ventilteil 38 (drehfest) verbunden. Beide Endbereiche der Rotationswelle 40 sind durch an dem Außenrohr 34 angebrachte Wellenlager 42 abgestützt, sodass die Rotationswelle 40 fähig ist relativ zu dem Außenrohr 34 verdreht zu werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wellenlager 42 in den Vertiefungen 36 angeordnet und Bereiche auf beiden Seiten der Rotationswelle 40 ragen an den Vertiefungen 36 durch das Außenrohr 34 hindurch. Je eine Dichtung 44 ist zwischen den gelochten Abschnitten (Durchgangslöchern) in dem Außenrohr 34 und der Rotationswelle 40, unter Bereitstellen einer luftdichten Abdichtung des Inneren des Außenrohrs 34 relativ zu dem Äußeren des Außenrohrs 34, angeordnet.
Die Rotationswelle 40 ist an einer Innenseite einer Tangente an dem Außenumfang des Ventilteils 38 angeordnet sowie von dem Mittelpunkt CP des Ventilteils 38 beabstandet angeordnet. Daher, wie aus 2 ersichtlich, ist das Ventilteil 38, bei der Betrachtung von einer Stirnseite (entlang des Pfeils F1), in einen den Mittelpunkt CP aufweisenden großen Oberflächenabschnitt 38A, und einen kleinen Oberflächenabschnitt 38B, der den Mittelpunkt nicht aufweist, aufgeteilt.
Ein Haltebügel 48 ist an dem Außenumfang des Außenrohrs 34 befestigt. Ein Verankerungsabschnitt 50 ist an einem distalen Ende des Haltebügels 48 ausgeformt. Ein Ende einer Rückholfeder 52 (Verankerungspunkt KP) ist in dem Verankerungsabschnitt 50 verankert. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Haltebügel 48 an einer Stelle eines der Vertiefungen 36 angeordnet.
Ein Verbindungsarm 54, der als ein Beispiel eines Verbindungsteils dient, ist mit einem Abschnitt befestigt, an dem die Rotationswelle 40 aus dem Außenrohr 34 sowie aus dem Wellenlager 42 (auf derselben Seite wie der Haltebügel 48) hervorragt. Ein Verankerungsabschnitt 56 ist an dem Verbindungsarm 54 ausgeformt. Das andere Ende der Rückholfeder 52 ist in dem Verankerungsabschnitt 56 verankert.
Die Rückholfeder 52 ist eine Schraubenzugfeder, die eine an dem Verbindungsarm 54 anliegende Zugkraft erzeugt. Die Zugkraft der Rückholfeder 52 wirkt auch wiederum durch den Verbindungsarm 54 an der Rotationswelle 40. Ein Teil der Zugkraft (wie nachfolgend beschrieben der Anteil SF-T in tangentialer Richtung) wirkt dauerhaft in einer Richtung, um das Ventilteil 38 in die Schließrichtung (in einer Richtung des Pfeils T1) zu verschwenken.
Wie aus 4 ersichtlich, ist der Verankerungsabschnitt 56, in Betrachtung des Außenrohrs 34 von der Seite aus, weiter in Abgasströmungsrichtung zu der stromabwärts angeordneten Seite hin versetzt angeordnet als die Rotationswelle 40. Der Verbindungsarm 54 funktioniert als ein Verbindungsglied, das um die Rotationswelle 40 zu dem Verankerungsabschnitt 56 hin rotiert.
Eine Anschlagslasche 58 ist zu der stromaufwärts gerichteten Seite der Rotationswelle 40 hin an dem Außenumfang des Außenrohrs 34 befestigt. Ein in Schließrichtung wirkender Anschlagsvorsprung 60 und ein in Öffnungsrichtung wirkender Anschlagsvorsprung 62 sind an dem Verbindungsarm 54 angeformt. Der in Schließrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 60 und der in Öffnungsrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 62 ragen jeweils in radialer Richtung, entlang der Rotationswelle 40 betrachtet, hinaus.
Der in Schließrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 60 ist so an einer Position/Stelle ausgebildet, dass er an der Anschlagslasche 58 anstößt, wenn das Ventilteil 38 versucht weiter in die Schließrichtung (entlang des Pfeiles T1) von einer geschlossenen Position TP (siehe 5) aus weiter zu rotieren, wodurch ein weiteres Verdrehen in der Schließrichtung vermieden wird.
Der in Öffnungsrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 62 ist so an einer Position/Stelle ausgebildet, dass er an der Anschlags lasche 58 anstößt, wenn das Ventilteil 38 versucht, in die Öffnungsrichtung (entlang des Pfeils H1) von einer geöffneten Position HP (siehe 6) aus weiter zu rotieren, wodurch ein weiteres Verdrehen in der Öffnungsrichtung vermieden wird. Der in Schließrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 60 und der in Öffnungsrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 62 begrenzen somit den Verdrehbereich des Ventilteils 38 auf den Bereich zwischen der geschlossenen Stellung TP und der geöffneten Stellung HP.
Die weitere nachfolgende Erläuterung betrachtet den Betrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
In einem Zustand, in dem kein Abgas innerhalb des Außenrohrs 34 fließt sowie in einem Zustand, in dem das Abgas lediglich eine geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, erfährt das Ventilteil 38 einen Teil der durch die Rückholfeder 52 aufgebrachten Zugkraft in Form einer Drehkraft in Schließrichtung; das Ventilteil 38 ist dann in der geschlossenen Stellung TP, wie in 5 dargestellt. In diesem Zustand, wie auch in 1 sowie 4 zu erkennen, liegt der in Schließrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 60 an der Anschlagslasche 58 an, wodurch sich das Ventilteil 38 nicht weiter in seiner Schließrichtung verdrehen lässt und in der geschlossenen Stellung TP abgestützt ist.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases innerhalb des Außenrohrs 34 ansteigt, erfährt das Ventilteil 38 eine Kraft (Strömungskraft) des Abgases in der Öffnungsrichtung (entlang dem Pfeil H) an dem großen Oberflächenabschnitt 38A sowie in Schließrichtung (entlang des Pfeils T1) an dem kleinen Oberflächenabschnitt 38B. Da der Oberflächenbereich/die Oberfläche des großen Oberflächenabschnittes 38A größer als der Oberflächenbereich/die Oberfläche des kleinen Oberflächenabschnittes 38B ist, ist die aufgrund des strömenden Abgases anliegende Kraft ebenfalls dementsprechend größer, wobei diese Kräfte in Bezug aufeinander jeweils in entgegengesetzte Drehrichtungen wirken. Ein Teil der in Öffnungsrichtung auf den großen Oberflächenabschnitt 38A wirkenden Drehkraft wird entsprechend von der in der Schließrichtung auf den kleinen Oberflächenabschnitt 38B wirkenden Drehkraft aufgehoben. Daraus resultiert eine auf das Ventilteil 38 wirkende Drehkraft in Öffnungsrichtung gesehen. Wenn diese Drehkraft größer als die durch die Rückholfeder 52 in Schließrichtung wirkende Drehkraft wird, verdreht sich das Ventilteil 38 in der Öffnungsrichtung.
Wie in 6 veranschaulicht, gelangt der in Öffnungsrichtung wirkende Anschlagsvorsprung 62 mit der Anschlagslasche 58 in Kontakt, wenn das Ventilteil 38 die geöffnete Stellung HP erreicht. Das Ventilteil 38 verdreht sich dann dementsprechend nicht in der Öffnungsrichtung (entlang des Pfeils H1) weiter.
Wenn die durch das Abgas in der Öffnungsrichtung wirkende Drehkraft kleiner als die in der Schließrichtung wirkende Drehkraft durch die Rückholfeder 52 wird, verdreht sich das Ventilteil 38 in die Schließrichtung.
Nachfolgend wird nun eine Erläuterung zu der Stellung/der Lage der Rotationswelle 40, nämlich des Rotationszentrums des Ventilteils 38 in Bezug auf die 7A bis 7C und die 8A bis 8C aufgeführt. Die 7A bis 7C veranschaulichen einen Zustand, in dem das Ventilteil 38 eine kreisrunde Form bei Betrachtung von einer Stirnseite aus, aufweist, und die 8A bis 8C veranschaulichen einen Zustand, in dem das Ventilteil 38 eine rechteckige Form (umfassend eine quadratische Form) bei Betrachtung der Stirnseite ausbildet, wobei die Form des jeweiligen Ventilteils in beiden Fällen vereinfacht ist. Die nun nachfolgende Erläuterung bezieht sich auf die Anordnung der 7A und 8A als ein erstes vergleichbares Beispiel.
In 7B und 8B, ähnlich wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, ist die Rotationswelle 40 zu einer Innenseite einer Tangente TL am Außenumfang des Ventilteils 38 angeordnet und verläuft durch eine Position, die beabstandet zum Mittelpunkt CP ist. Unter Anwendung einer solchen Anordnung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Trennung des Ventilteils 38 in den großen Oberflächenabschnitt 38A und den kleinen Oberflächenabschnitt 38B durch den Gebrauch der Rotationswelle 40 begriffen werden.
Im Gegensatz dazu, stimmt in den 7a und 8a die Position der Rotationswelle 40 mit einer Tangente des Außenumfangs des Ventilteils 38 überein. In den Anordnungen der 7A und 8A ist das Ventilteil nicht durch die Rotationswelle 40 in einen großen Oberflächenabschnitt und einen kleinen Oberflächenabschnitt (siehe 7B und 8B) aufgeteilt. In den Anordnungen der 7A und 8A wirkt die gesamte durch das Abgas aufgewandte Kraft auf das Ventilteil 38 als eine Drehkraft in Öffnungsrichtung des Ventilteils 38. Dadurch ist die Kraft, die auf das Ventilteil 38 in der Öffnungsrichtung wirkt, groß. Daher wird wiederum eine große Kraft dafür benötigt, das Ventilteil 38 in der Schließrichtung abzustützen, weshalb die Zugkraft der Rückholfeder ebenfalls groß auszulegen ist.
Die 9A bis 9C veranschaulichen das Verhältnis zwischen der durch die Rückholfeder 52 auf den Verbindungsarm 54 wirkenden Kraft sowie der Stellung des Ventilteils 38 (des Verbindungsarms 54). 9A veranschaulicht einen Zustand, in dem das Ventilteil 38 in der geschlossenen Stellung TP (siehe 5) befindlich ist, 9C veranschaulicht einen Zustand, in dem das Ventilteil 38 in der geöffneten Stellung HP (siehe 6) befindlich ist, und 9B veranschaulicht einen Zustand, in dem das Ventilteil 38 halbwegs zwischen der geschlossenen Stellung TP und der geöffneten Stellung HP angeordnet ist.
In den 9A bis 9C verdreht sich der Verbindungsarm 54 entsprechend der Rotation des Ventilteils 38 (der Rotationswelle 40), und somit bewegt sich der Aktionspunkt AP entlang eines Umfangs CF. Ein tangentialer Richtungsbestandteil SF-T einer Zugkraft SF wirkt auf das Ventilteil 38 als eine Kraft in Schließrichtung. Ein normaler Richtungsbestandteil SF-N der Zugkraft SF wirkt jedoch an den Kontaktbereichen zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42. Wenn die Kraft des normalen Richtungsbestandteiles SF-N groß ist, ist auch die Reibungskraft zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 groß.
Wie aus den 9A bis 9C ebenfalls ersichtlich, ist der Aktionspunkt AP innerhalb des Drehbereiches des Ventilteiles 38 stets auf derselben Seite einer geraden, den Verankerungspunkt KP und die Rotationswelle 40 (das Rotationszentrum) miteinander verbindenden Linie L1, nämlich auf jener Seite, auf der der tangentiale Richtungsbestandteil SF-T als eine Kraft in Schließrichtung wirkt.
Wie aus 9 ersichtlich ist, ist der tangentiale Richtungsbestandteil SF-T der Zugkraft SF größer als der normale Richtungsbestandteil SF-N, wenn das Ventilteil 38 in der geschlossenen Stellung befindlich ist. Wie jedoch aus 9B ersichtlich ist, wird der normale Richtungsbestandteil SF-N allmählich größer und der tangentiale Richtungsbestandteil SF-T kleiner, wenn das Ventilteil 38 zu der geöffneten Stellung hin rotiert. Wenn z. B. das Ventilteil 38 in einem Zustand in der geöffneten Stellung befindlich ist, wie in 9C veranschaulicht, ist der normale Richtungsbestandteil SF-N der Zugkraft SF größer als der tangentiale Richtungsbestandteil SF-T. Folglich ist auch die Reibungskraft zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 in einem Zustand, in dem der normale Richtungsbestandteil SF-N groß ist, groß.
10 veranschaulicht qualitativ die Reibungskraft zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 (Wellenreibwiderstandskraft) sowie die auf die Rotationswelle 40 wirkende Drehkraft (in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung) als eine Funktion des Öffnungswinkels des Ventilteils 38 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sowie dem ersten vergleichbaren Beispiel. Die Drehkraft in der Öffnungsrichtung ist von dem Abgas vorgegeben. Die Drehkraft in Schließrichtung ist durch die Rückholfeder 52 vorgegeben. In dieser graphischen Darstellung korrespondieren die dünnen Linien (durchgezogene Linie, gestrichelte Linie sowie kurz- und langgestrichelte Linie) mit dem ersten Ausführungsbeispiel und die dicken Linien (durchgezogene Linie, gestrichelte Linie sowie kurz- und langgestrichelte Linie) mit dem ersten vergleichbaren Beispiel.
Wie aus der graphischen Darstellung ebenfalls ersichtlich, ist in dem ersten Ausführungsbeispiel die auf das Ventilteil 38 durch das Abgas in der Öffnungsrichtung wirkende Drehkraft kleiner als in dem ersten vergleichbaren Beispiel. Dadurch ist auch die auf die Rotationswelle 40 durch die Rückholfeder 52 wirkende Drehkraft in der Schließrichtung in dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel kleiner als in dem ersten vergleichbaren Beispiel. Die „Wellenreibwiderstandskraft”, d. h. die Reibungskraft zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42, ist ebenfalls in dem ersten Ausführungsbeispiel kleiner als in dem ersten vergleichbaren Beispiel. Um das Ventilteil 38 in Schließrichtung aktiv zu verdrehen, muss die Drehkraft in Schließrichtung größer als die Wellenreibwiderstandskraft sein, wobei der Öffnungswinkel des Ventilteils 38 an dem den Kreuzungsbereich der Kurven bildenden Punkt der „maximale Öffnungsgrad” ist. Es ist dabei auch ersichtlich, dass in dem ersten Ausführungsbeispiel der maximale Öffnungsgrad größer als der des ersten vergleichbaren Beispieles ist.
Im Weiteren ist in dem ersten Ausführungsbeispiel die Rückholfeder 52 in Form einer Schraubenzugfeder, als jenes Teil eingesetzt, das eine Drehkraft auf die Rotationswelle 40 in der Schließrichtung aufbringt. Im Gegensatz dazu, anstatt einer Schraubenzugfeder, kann die Feder z. B. auch als eine sich um die Rotationswelle 40 (in Form einer Schraubentorsionsfeder) herum windende Feder ausgeführt sein. Wenn jedoch eine Schraubentorsionsfeder an der Rotationswelle 40 unter Ausbildung eines beabstandet zur Rotationswelle 40 angeordneten Aktionspunktes AP (siehe 9A bis 9C) befestigt ist, werden die Armabschnitte der Torsionsschraubenfeder lang. Dabei tritt manchmal ein Verbiegen und ein Verdrehen in den Armbereichen auf, wenn die Armbereiche der Schraubentorsionsfeder länger ausgestaltet sind, wodurch ein Aufbringen einer stabilen Torsionskraft auf die Rotationswelle erschwert wird.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Schraubenzugfeder als ein Teil eingesetzt, das eine in der Schließrichtung auf das Ventilteil 38 wirkende Drehkraft ausübt, wodurch ein hoher Freiheitsgrad zum Festlegen der Position des Aktionspunktes AP besteht. Es ist dementsprechend möglich, den Aktionspunkt AP an einer Position anzuordnen, an der er von der Rotationswelle 40 beabstandet ist. Ein Beabstanden des Aktionspunktes AP von der Rotationswelle 40 weg ermöglicht eine große Drehkraft (Drehmoment), das in der Schließrichtung an der Rotationswelle 40 auch dann einwirkt, wenn die Zugkraft der Rückholfeder 52 gering ist. Durch das Herabsetzen der Zugkraft der Rückholfeder 52 wird der „maximale Öffnungsgrad” des Ventilteils 38 größer.
Wie zuvor beschrieben, ist es bevorzugt die Lage der Rotationswelle 40 (das Rotationszentrum) nahe an dem Mittelpunkt CP zu wählen, wenn die durch das Abgas auf das Ventilteil 38 in der Öffnungsrichtung wirkende Drehkraft kleiner sein soll. Wenn jedoch, wie in den 7C und 8C dargestellt, die Lage der Rotationswelle 40 so gewählt ist, dass sie durch den Mittelpunkt CP verläuft, sind die Oberflächenbereiche der beiden Abschnitte, die durch die Rotationswelle 40 aufgeteilt werden, gleich ausgestaltet. Dadurch heben sich die durch das Abgas auf das Ventilteil 38 in diesen zwei Abschnitten wirkenden Kräfte gegenseitig auf, sodass sie null werden (sodass sie weder in Öffnungsrichtung noch in Schließrichtung wirken), und es wiederum erschwert wird, das Ventilteil 38 in der Öffnungsrichtung zu verdrehen. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Rotationswelle 40 (Rotationszentrum) beabstandet zu dem Mittelpunkt CP angeordnet, sodass der große Oberflächenabschnitt 38A und der kleine Oberflächenabschnitt 38B ausgebildet werden. Dies ermöglicht dem Ventilteil 38 zudem unter dem Wirken einer Kraft durch das Abgas nachvollziehbar in der Öffnungsrichtung zu rotieren.
Die nachfolgende Erklärung bezieht sich auf das zweite Ausführungsbeispiel. In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind jene Elemente, Teile, etc., die die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei eine detaillierte Beschreibung dieser gleichen Elemente, Teile etc. daher nachfolgend vermieden ist.
In einer Ventilanordnung 112 eines zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich der Aufbau des Ventilteils von dem des ersten Ausführungsbeispieles. Nämlich, wie in den 12 und 13 dargestellt, ist in einem Ventilteil 118 des zweiten Ausführungsbeispieles ein großer Oberflächenabschnitt 118A (Druckaufnahmefläche) wie in dem Querschnitt entlang der Strömungsrichtung des Abgases zu erkennen, bogenförmig ausgeführt, sodass sich eine in Strömungsrichtung stromabwärts gewölbte Form ausbildet. Das zweite Ausführungsbeispiel, wie auch in 11 ersichtlich, weist den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel, ausgenommen von der Form des Ventilteils, auf.
In dem in 12 dargestellten Beispiel, ist ein kleiner Oberflächenabschnitt 118B so bogenförmig ausgebildet, dass sich eine gewölbte Form in Richtung der Strömungsrichtung stromaufwärts ergibt, wobei die Form des kleinen Oberflächenabschnittes 118B nicht sonderlich eingeschränkt ist.
14A und 14B veranschaulichen schematisch die Form des Ventilteils 118 des zweiten Ausführungsbeispieles, in einem Querschnitt des Ventilteils 118 entlang der Strömungsrichtung betrachtet. In dem Querschnitt ist die Krümmung/Wölbung des großen Oberflächenabschnittes 118A des zweiten Ausführungsbeispieles konstant/gleich bleibend, unabhängig von dem Abstand zu der Rotationswelle 40 (zu dem Rotationszentrum). In anderen Worten ausgedrückt, ist die Form des großen Oberflächenabschnittes 118A, wie in den 12, 13, 14A und 14B veranschaulicht, Teil eines Kreises.
In der Ventilanordnung 112 des zweiten Ausführungsbeispieles, verdreht sich das Ventilteil 118 in einem Zustand, in dem das Abgas nicht innerhalb des Außenrohrs 34 fließt sowie in einem Zustand, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist, nicht in Öffnungsrichtung oder Schließrichtung, sondern ist in der geschlossenen Stellung TP abgestützt.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der große Oberflächenabschnitt 118A (Druckaufnahmefläche) eine Form auf, die sich in der Strömungsrichtung des Abgases gesehen flussabwärts hin wölbt/krümmt. Dadurch, wie in 13 dargestellt, wenn das Ventilteil 118 in der geöffneten Stellung HP ist (oder wenn es zwischen der geschlossenen Stellung TP und der geöffneten Stellung HP ist), neigt ein Oberflächendruck SP des Ventilteils 118, der durch die Strömung des Abgases erzeugt wird, dazu, mit zunehmender Entfernung von der Rotationswelle 40 weg zuzunehmen. Die auf das Ventilteil 118 in der Öffnungsrichtung wirkende Drehkraft ist dementsprechend größer und so ist der Öffnungswinkel des Ventilteils 118 größer.
Insbesondere ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Krümmung des großen Oberflächenabschnittes 118A des Ventilteils 118 unabhängig von dem Abstand relativ zur Rotationswelle 40 (dem Rotationszentrum) konstant. In anderen Worten ausgedrückt sowie in den 14A und 14B dargestellt, wenn in dem zweiten Ausführungsbeispiel ein imaginärer Kreis KC aufweisend dieselbe Krümmung wie die Krümmung des großen Oberflächenabschnitts 118A an einem frei gewählten Punkt AA innerhalb des großen Oberflächenabschnittes 118A betrachtet ist, stimmt der imaginäre Kreis KC mit dem großen Oberflächenabschnitt 118A überein.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in Verbindung mit 14B dargestellt, wird das Abgas, das in einem Punkt AA auf den großen Oberflächenabschnitt 118A trifft, in Richtung der flussabwärts gerichteten Seite entlang dem großen Oberflächenabschnitt 118A bewegt, wie es mit dem Pfeil F2 veranschaulicht ist, wenn das Ventilteil 118 in der geöffneten Stellung HP ist. Der große Oberflächenabschnitt 118A ist entlang der Strömung F2 des Abgases ausgerichtet. Da der Abgasstrom F2 nicht von dem großen Oberflächenabschnitt 118A abreißt, wird vermieden, dass ein negativer Druck an dem großen Oberflächenabschnitt 118A erzeugt wird.
Ein Ventilteil 120 eines ersten modifizierten Beispieles des zweiten Ausführungsbeispieles kann wie das in den 15A und 15B veranschaulichte Ventilteil ausgeführt werden. Das Ventilteil 120 ist in einen großen Oberflächenabschnitt 120A und einen kleinen Oberflächenabschnitt 120B aufgeteilt und die Krümmung des großen Oberflächenabschnittes 120A ist so ausgebildet, dass sie mit wachsendem Abstand relativ zur Rotationswelle 40 (zum Rotationszentrum) ansteigt.
In der in den 15A und 15B dargestellten Anordnung ist der große Oberflächenabschnitt 120A in Bereichen von dem Punkt AA aus mit zunehmendem Abstand von der Rotationswelle 40 weg, weiter zur flussaufwärtsgerichteten Seite der Abgasströmungsrichtung angeordnet als der imaginäre Kreis KC. Wie in 15B dargestellt, bewegt sich das auf den großen Oberflächenabschnitt 120A in dem Punkt AA auftreffende Abgas entlang dem großen Oberflächenabschnitt 120A zur abwärtsgerichteten Seite hin, wie durch den Pfeil F2 dargestellt, wenn das Ventilteil 120 sich in der geöffneten Stellung HP befindet. Aufgrund der Strömung F2 des Abgases wirkt eine Druckkraft in der Öffnungsrichtung (in Richtung der stromabwärts gerichteten Seite) auf den großen Oberflächenabschnitt 120A. Somit wird wie in der mit den 15A und 15B dargestellten Anordnung vermieden, dass ein negativer Druck an dem großen Oberflächenabschnitt 120A erzeugt wird.
Gemäß einem zweites modifizierten Beispiels des zweiten Ausführungsbeispieles, wie in den 16A und 16B erkennbar, ist ein Ventilteil 128 in einen großen Oberflächenabschnitt 128A und einem kleinen Oberflächenabschnitt 128B aufgeteilt und die Krümmung des großen Oberflächenabschnittes 128A wird bei Bewegung weg von der Rotationswelle 40 (von dem Rotationszentrum) kleiner (umfassend die Zustände, in denen die Krümmung null wird, und Zustände, in denen die Krümmung negativ wird).
In dem zweiten modifizierten Beispiel, bei Betrachtung des imaginären Kreises KC an einem frei gewählten Punkt AA des großen Oberflächenabschnittes 128A, ist der große Oberflächenabschnitt 128A an Positionen, die weiter von der Rotationswelle 40 entfernt angeordnet sind als der Punkt AA, weiter zu der stromabwärts gerichteten Seite hin angeordnet als der imaginäre Kreis KC. In einem solchen Aufbau, wie er in 16B dargestellt ist, besteht ein Interesse daran, dass an dem großen Oberflächenabschnitt 128A ein negativer Druck erzeugt werden soll, wenn ein Abschnitt durch den auf den großen Oberflächenabschnitt 128A auftreffenden Abgasstrom F2 in einer Richtung angehoben wird, die weg von dem Oberflächenabschnitt 128A gerichtet ist. Ein solcher negativer Druck wirkt als eine Drehkraft auf das Ventilteil 128 in der Schließrichtung.
Auch wenn der Aufbau des zweiten modifizierten Beispieles ebenso in der vorliegenden Erfindung enthalten ist, kann ein Erzeugen eines negativen Druckes, der als eine Drehkraft auf das Ventilteil 118, 120 in der Schließrichtung wirkt, in dem zweiten Ausführungsbeispiel und dem ersten modifizierten Beispiel vermieden werden, wenn sich das Ventilteil 118, 120 in der geöffneten Stellung HP befindet. Dies führt dazu, dass der Öffnungswinkel des Ventilteils 118, 120 groß wird.
Die nun folgende Erläuterung bezieht sich auf ein drittes Ausführungsbeispiel. Die Bezugszeichen in dem dritten Ausführungsbeispiel sind auf die gleichen Elemente und Teile gerichtet, wie sie aus dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel bekannt sind, weshalb eine detaillierte Erläuterung dieser nachfolgend vermieden ist.
Eine Ventilanordnung 212 des dritten Ausführungsbeispieles weist, wie in den 17 und 18 dargestellt, zusätzlich zu dem Haltebügel 48 des ersten Ausführungsbeispiels oder des zweiten Ausführungsbeispieles einen Haltebügel 214 auf.
Der Haltebügel 214 weist wiederum einen Verankerungsabschnitt 216 auf. Die Position des Verankerungsabschnittes 216 (ein Verankerungspunkt KP2) in Bezug auf die Rotationswelle 40 ist zu der Position des Verankerungsabschnittes 50 (ein Verankerungspunkt KP1), in einer Seitenansicht des Außenrohres betrachtet sowie wie in 18 ersichtlich, punktsymmetrisch angeordnet.
Ein Verbindungsarm 218 des dritten Ausführungsbeispieles weist zwei Verankerungsabschnitte 220, 222 auf. Der Verankerungsabschnitt 220 (ein Aktionspunkt AP1) und der Verankerungsabschnitt 222 (ein Aktionspunkt AP2) sind in Bezug auf die Rotationswelle 40 punktsymmetrisch zueinander angeordnet.
Das dritte Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zu der Rückholfeder 52 eine Rückholfeder 224 auf. Ein Ende der Rückholfeder 52 ist in dem Verankerungsabschnitt 50 verankert und das andere Ende ist in dem Verankerungsabschnitt 220 verankert. Ein Ende der Rückholfeder 224 ist in dem Verankerungsabschnitt 216 verankert und das andere Ende ist in dem Verankerungsabschnitt 222 verankert. Die beiden Rückholfedern 52, 224 erzeugen entsprechende Zugkräfte SF, TF, die in Bezug auf den Verbindungsarm 218 punktsymmetrisch zueinander ausgerichtet sind sowie punktsymmetrisch relativ zur Rotationswelle 40 anliegen.
19 veranschaulicht die Zugkräfte SF, TF, wie sie mittels der Rückholfedern 52, 224 an dem Verbindungsarm 218 in einem geöffneten Stellzustand des Ventilteils 118 des dritten Ausführungsbeispieles anliegen. In dem dritten Ausführungsbeispiel sind die Zugkraft SF, die durch die Rückholfeder 52 erzeugt wird, und die Zugkraft TF, die durch die Rückholfeder 224 erzeugt wird, punktsymmetrisch in Bezug auf den Verbindungsarm 218 ausgebildet. Der tangentiale Richtungsbestandteil SF-T der Zugkraft SF, der durch die Rückholfeder 52 erzeugt wird, sowie der tangentiale Richtungsanteil TF-T der Zugkraft TF, die durch die Rückholfeder 224 erzeugt wird, agieren beide in der Schließrichtung des Ventilteils 118 (entlang des Pfeils T1). Dadurch ist die Kraft, die in der Schließrichtung des Ventilteils 118 wirkt, größer als in dem ersten Ausführungsbeispiel sowie im zweiten Ausführungsbeispiel.
Jedoch sind ein normaler Richtungsbestandteil SF-N der Zugkraft SF, der durch die Rückholfeder 52 erzeugt wird, und ein normaler Richtungsanteil TF-N der Zugkraft TF, der durch die Rückholfeder 224 erzeugt wird, in ihrer Größe gleich und wirken in entgegengesetzte Richtungen, sodass sie sich gegenseitig aufheben. Dadurch wird durch die Rückholfedern 52, 224 keine resultierende Kraft erzeugt, die an Kontaktbereichen zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 einwirkt (oder nur eine kleine Kraft, wenn nur eine der beiden Federn wirkt), wodurch auch die Reibungskraft zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 klein ist.
20 veranschaulicht qualitativ die zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 wirkende Reibungskraft (Wellenreibwiderstandskraft), wobei die Rotationskraft, wie sie in der Schließrichtung auf die Rotationswelle 40 wirkt, als eine Funktion des Öffnungswinkels des Ventilteils 38 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist.
In dem dritten Ausführungsbeispiel, wie zuvor beschrieben, ist die Reibungskraft zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 klein und unabhängig von dem Öffnungswinkel gleichbleibend, da keine resultierende Kraft von den Rückholfedern 52, 224, wie sie in Kontaktbereichen zwischen der Rotationswelle 40 und den Wellenlagern 42 wirken, erzeugt wird. Der maximale Öffnungsgrad des dritten Ausführungsbeispiels ist entsprechend größer als ein maximaler Öffnungsgrad des ersten Ausführungsbeispieles sowie ein maximaler Öffnungsgrad des zweiten Ausführungsbeispieles.
In dem dritten Ausführungsbeispiel, wie zuvor beschrieben, weisen die beiden Rückholfedern 52, 224 sozusagen eine rotationssymmetrische Beziehung auf, die eine zweifaltige Rotationssymmetriebeziehung in Bezug auf die Rotationswelle 40 ist. In dem dritten Ausführungsbeispiel können gar N-Rückholfedern an Positionen vorgesehen werden, sodass sich eine N-faltige Rotationssymmetrie, wobei N eine ganze Zahl von zwei oder mehreren ist, ausgebildet ist. Zum Beispiel, wenn N = 3 wäre, wäre eine Konfiguration umgesetzt, in der drei Rückholfedern rotationssymmetrisch zueinander, unter Ausbildung der Mittenwinkel von 120°, angeordnet wären.
In dem ersten bis zum dritten Ausführungsbeispiel sind die beiden Vertiefungen 36 an dem Außenrohr 34 ausgeformt und die Wellenlager 42 in den Vertiefungen 36 angeordnet. Die Vertiefungen 36 wirken somit als Auflageflächen für die Wellenlager 42. Dies ermöglicht das Umsetzen einer Anordnung mit einer hohen Oberflächensteifigkeit der Auflagenflächenbereiche der Wellenlager 42. Die hohe Oberflächensteifigkeit der Auflagenflächenbereiche der Wellenlager 42 führt dazu, dass eine Verformung des Außenrohrs 34 aufgrund einer von den Wellenlager 42 auf das Außenrohr 34 wirkenden Kraft vermieden wird. Eine Fehlausrichtung zwischen den Mittelinien der Wellenlager 42 und der Rotationswelle 40 wird dadurch unterdrückt; andererseits wird vermieden, dass die Reibungskraft zwischen den Wellenlagern 42 und der Rotationswelle 40 ansteigt und ein höherer maximaler Öffnungsgrad der Ventilteile 38, 118 ermöglicht wird.
Wie bereits zuvor erläutert, wird mit den Ventilanordnungen der ersten bis dritten Ausführungsbeispiele eine große Öffnung der Ventilteile 38, 118 ermöglicht, wodurch eine weite Querschnittsfläche bereitgestellt wird, durch die das Abgas hindurchtreten kann. Dadurch ist z. B. der Druckverlust in dem Ventilteil 38, auch wenn ein Motor bei hohen Drehzahlen betrieben wird, klein, wodurch die Ventilanordnung 32 mit einer starken Reduktion des Gegendrucks ermöglicht wird.
Beispielhaft veranschaulicht die 21 qualitativ die Zusammenhänge zwischen den Motordrehzahlen und dem Gegendruck für das zweite Ausführungsbeispiel sowie das erste vergleichbare Beispiel. In den graphischen Darstellungen der 21 bis 23 entsprechen die durchgezogenen Linien dem zweiten Ausführungsbeispiel und die gestrichelten Linien dem ersten vergleichbaren Beispiel.
Wie aus 21 ersichtlich ist, erzielt das zweite Ausführungsbeispiel einen stärkeren Gegendruckrückgang als das erste vergleichbare Beispiel, insbesondere in einem hohen Drehzahlbereich (bei 400 U/min oder größer).
In den Ventilanordnungen des ersten bis dritten Ausführungsbeispieles ermöglicht die große Öffnung des Ventilteils 38 eine Abschwächung eines Geräusches, das durch das Auftreffen des Abgases auf dem Ventilteil 38 erzeugt wird.
Beispielhaft veranschaulicht die 22 qualitativ die Zusammenhänge zwischen den Motordrehzahlen und dem Abgasschalldruckpegel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sowie dem ersten vergleichbaren Beispiel. Dabei ist es ersichtlich, dass das zweite Ausführungsbeispiel insbesondere einen höheren Geräuschdämpfungseffekt bewirkt als das erste vergleichbare Beispiel. Insbesondere ist der Schalldruckpegel in dem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Motordrehzahlbereich zwischen 3.000 bis 5.000 U/min kleiner als der des ersten vergleichbaren Beispiels.
Im Weiteren ermöglicht die große Öffnung des Ventilteils 38 in der Ventilanordnung des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels, auftretende Resonanzgeräusche seitens der Rückholfeder 52 (oder der Rückholfedern 52, 224) sowie der auf das Ventilteil 38, 118 einwirkenden Abgase zu unterdrücken.
In einem System, das mit einem Freiheitsgrad schwingt, ist eine Schwingungsfrequenz f durch die folgende Gleichung vorgegeben, wobei die Federkonstante, die die Federkraft in dem System bewirkt, mit k bezeichnet ist und das Trägheitsmoment des Systems mit I bezeichnet ist.
I ist dabei durch die folgende Gleichung auf die Masse m des Systems sowie auf einen Abstand L zwischen dem Rotationszentrum (der Rotationswelle 40) und dem Massenschwerpunkt bezogen. I = 1 / 2mL² (2)
Dabei ist es z. B. aus Gleichung (2) ersichtlich, dass wenn die Masse m ansteigt, auch das Trägheitsmoment I des Systems größer wird. Aus Gleichung (1) ist es wiederum ersichtlich, dass wenn das Trägheitsmoment I ansteigt, die Schwingungsfrequenz f abnimmt. Jedoch führt eine größere Masse m auch zu einem Ansteigen der Masse der Ventilanordnung.
Im Gegensatz dazu können in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen die Federn mit einer kleinen Zugkraft in Form der Federn 52, 224 umgesetzt werden, was zu einer kleinen Federkonstante k in Gleichung (1) führt. Da die Masse m der Ventilteile 38, 118 in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen nicht groß ist, führt dies nicht zu einem Anstieg der Masse der Ventilanordnungen 32, 112, 212.
23 veranschaulicht weiterhin qualitativ Zusammenhänge zwischen den Motordrehzahlen und der Amplitude des Ventilteils in dem zweiten Ausführungsbeispiel sowie dem ersten vergleichbaren Beispiel. Wo die Schwingungsfrequenz bei einem maximalen Amplitudenwert in dem ersten vergleichbaren Beispiel noch 27,6 Hz beträgt, ist die Schwingungsfrequenz in dem zweiten Ausführungsbeispiel auf 18,3 Hz gesenkt. Die Amplitude bei 600 bis 800 U/min, entsprechend beispielhaften Motordrehzahlen in einem Leerlauf, ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel kleiner als in dem ersten vergleichbaren Beispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel weist dementsprechend aufgrund der kleineren Amplitude des Ventilteils 38 in dem Leerlaufbereich einen höheren Dämpfungseffekt gegenüber Resonanzgeräuschen auf.
In der vorliegenden Anwendung wird eine Spannkraft eines Spannteils, das das Ventilteil in Schließrichtung vorspannt, verringert, die Reibung zwischen der Rotationswelle und den Wellenlagern reduziert, sowie das Umsetzen eines großen Öffnungswinkels des Ventilteils sichergestellt.
Der vollständige Offenbarungsgehalt der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2014-208041 , die am 9. Oktober 2014 eingereicht worden ist, gilt als hierin integriert.
Alle zitierten Dokumente, Patentanmeldungen sowie technische Standards, die in dieser vorliegenden Beschreibung genannt worden sind, gelten durch Bezugnahme auch in der vorliegenden Beschreibung in der Weise als integriert, als wenn die einzelnen zitierten Dokumente, Patentanmeldungen sowie technischen Standard für sich allein genommen in der vorliegenden Beschreibung aufgeführt worden wären.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 03-51124 U [0002, 0002, 0004]
JP 09-303143 A [0003, 0003, 0003, 0004]
JP 2014-208041 [0121]

Claims

Ventilanordnung mit einem Ventilteil, das an einer Abgasleitung vorgesehen ist und das bei Kontakt mit einem Abgas von einer die Abgasleitung abschließenden, geschlossenen Stellung zu einer die Abgasleitung öffnenden, geöffneten Stellung rotiert; einer Rotationswelle, die an einer Stelle an dem Ventilteil angebracht ist, welche Stelle, bei Betrachtung des Ventilteils entlang einer Abgasströmungsrichtung, innerhalb einer Tangente an einem Außenumfang des Ventilteils sowie beabstandet zu einem Mittelpunkt des Ventilteils angeordnet ist, und die so mit der Abgasleitung verbunden ist, dass sie drehbar ist; einem Verbindungsteil, das an der Rotationswelle angebracht ist und einen Aktionspunkt an einer Stelle aufweist, die in der Strömungsrichtung gesehen von der Rotationswelle beabstandet ist; und einer Zugfeder, die an der Abgasleitung vorgesehen ist und die eine dauerhaft auf den Aktionspunkt einwirkende Zugkraft verursacht, um eine Drehkraft in einer Schließrichtung des Ventilteils zu erzeugen.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei eine den Mittelpunkt des Ventilteils aufweisende Druckabstützfläche, in Strömungsrichtung gesehen, eine zu einer stromabwärtsgerichteten Seite hin gewölbte Form aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 2, wobei eine Wölbung der Druckabstützfläche, bei Betrachtung in einem Querschnitt entlang der Strömungsrichtung, mit zunehmendem Abstand von der Rotationswelle weg ansteigt oder konstant bleibt.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei weiterhin ein Außenrohr vorgesehen ist, das einen Abschnitt der Abgasleitung ausbildet und an dem die Rotationswelle angebracht ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 4, wobei weiterhin eine zu einer Innenseite hin eingezogene Vertiefung an einem Bereich des Außenrohres vorgesehen ist, an dem die Rotationswelle angebracht ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, ferner mit einer an dem Außenrohr vorgesehenen Anschlagslasche; einem in Schließrichtung wirkenden Anschlagsvorsprung, der an dem Verbindungsteil vorgesehen ist sowie mit der Anschlagslasche in Kontakt ist und eine Drehbewegung in Schließrichtung verhindert, wenn das Ventilteil versucht, sich von der geschlossenen Stellung aus weiter in die Schließrichtung zu drehen; sowie einem in Öffnungsrichtung wirkenden Anschlagsvorsprung, der an dem Verbindungsteil vorgesehen ist sowie mit der Anschlagslasche in Kontakt ist und eine Drehbewegung in Öffnungsrichtung verhindert, wenn das Ventilteil versucht, sich von der geöffneten Stellung weiter in die Öffnungsrichtung zu drehen.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei der Aktionspunkte an Stellen vorgesehen sind, die in Bezug auf ein Zentrum der Rotationswelle punktsymmetrisch zueinander angeordnet sind.