DE102016223856A1

DE102016223856A1 - Drosselklappensteller

Info

Publication number: DE102016223856A1
Application number: DE102016223856.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Knepper; Ralph Glemser; Markus Schnepf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drosselklappensteller (1) mit einem Gehäuse (10), welches einen Luftkanal (11) umfasst, und mit einer im Luftkanal (11) angeordneten Drosselklappe (20), die an einer Achse (A) um einen Winkel (α) verschwenkbar ist. Die Drosselklappe (20) weist eine zur Achse (A) spiegelsymmetrische Außenkontur (29) auf, wobei die Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur Achse (A) senkrechten Spiegellinie (S) ausgebildet ist. Die Drosselklappe (20) ist derart gestaltet, dass bei einem definierten Klappenwinkel (α0), der im Bereich von 3,5° bis 11° liegt, in einem ersten Quadranten (Q1) die Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) in der Projektion auf eine zur Strömungsrichtung (80) senkrechte Projektionsfläche (P) sowohl radial nach innen als auch radial nach außen von einer nominellen kreisrunden Form (28) mit einem ersten Radius (R1) abweicht. Der erste Quadrant (Q1) erstreckt sich von einem ersten Spiegellinien-Schnittpunkt (22) der Spiegellinie (S) mit der projizierten Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) hin zu einem ersten Achsen-Schnittpunkt (23) der Achse (A) mit der projizierten Außenkontur (29) der Drosselklappe (20). Der erste Radius (R1) ist gegeben durch den mittleren Radius (RM) des Luftkanals (11) abzüglich eines Spaltmaßes (SP) im Bereich von 25µm bis 55µm.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Drosselklappensteller und eine Drosselklappe für einen Drosselklappensteller.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Drosselklappensteller bekannt, beispielsweise für die Dosierung der Frischluftzufuhr einer Brennkraftmaschine.
Derartige Drosselklappensteller weisen einen in der Regel kreisrunden Luftkanal in einem Gehäuse auf, wobei der Luftkanal durch eine um eine Achse verschwenkbare Drosselklappe verschlossen werden kann. Im geschlossenen Zustand der Drosselklappe soll nur eine definierte Menge an Leckluft durch den Luftkanal an der Drosselklappe vorbei in Richtung des Motors der Brennkraftmaschine strömen können. Um dies zu erreichen kann beispielsweise eine Molykotierung der Außenkontur der Drosselklappe vorgesehen sein, d.h. das Aufbringen von hochreinem und mikrofeinen Molybdändisulfid auf die Oberfläche der Außenkontur. Dabei wird die Drosselklappe zunächst im Luftkanal eingebaut und dann in eine definierte Stellung verschwenkt, z.B. 2°, in der sie geschlossen sein soll und nominell den Luftkanal verschließt, so dass keine Luft bzw. eine möglichst geringe Leckluftmenge durch den Luftkanal strömen kann. Anschließend wird ein zwischen der Außenkontur der Drosselklappe und dem Luftkanal verbleibender Spalt, der die Leckluftmenge verursacht, durch die Molykotierung abgedichtet. Dazu wird ein pastöses Material z.B. ringförmig um die Außenkontur aufgetragen in der Art eines Fensterkitts. Dadurch gelingt eine gute Abdichtung des Spalts zwischen der Außenkontur der Drosselklappe und dem Luftkanal. Dieses Verfahren ist jedoch relativ kostenintensiv.
Eine weitere Möglichkeit für die Reduzierung der Leckluftmenge besteht darin, einen mechanischen Anschlag für die Drosselklappe im Luftkanal derart vorzusehen, dass die Drosselklappe im geschlossenen Zustand an den mechanischen Anschlag anschlägt.
Die DE 10 2008 055 127 A1 zeigt einen Drosselklappensteller.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die Molykotierung relativ teuer und damit wirtschaftlich nicht immer umsetzbar ist. Weiterhin geht sie aus von der Erkenntnis, dass das Anbringen eines Anschlags im Luftkanal nicht für jede Drosselklappe bzw. jeden Drosselklappensteller geeignet ist. Es besteht ein Bedarf an Drosselklappen ohne mechanischen Anschlag im Luftkanal und ohne eine Außenkontur mit einer Molykotierung. Für derartige Drosselklappen hat sich gezeigt, dass durch den Differenzdruck der Luft stromaufwärts der Drosselklappe und stromabwärts der Drosselklappe im geschlossenen Zustand bzw. in leicht geöffnetem Zustand (z.B. bis zu einem Verschwenkwinkel von 12°) der Drosselklappe eine Verformung der Drosselklappe entstehen kann. Diese Verformung kann derart ausgeprägt sein, dass der nach stromaufwärts geschwenkte Teil der Drosselklappe in Richtung geschlossene Stellung verformt wird und der stromabwärts dieses Teils verschwenkte Teil der Drosselklappe in eine weiter als vorgegeben geöffnete Stellung verformt werden kann. Dadurch kann die reale Leckluftmenge bzw. Luftmenge von der spezifizierten Leckluftmenge bzw. Luftmenge in einem unerwünschten Umfang abweichen.
Das Verwenden von einem dickeren, verwindungssteiferen Material für die Drosselklappe kann aus Kostengründen und/oder aufgrund geringer Fertigungstoleranzen nicht immer eine Lösung darstellen.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, einen Drosselklappensteller mit einer Drosselklappe sowie eine Drosselklappe bereitzustellen, bei der die spezifizierte Leckluftmenge bzw. die spezifizierte Luftmenge auch ohne die Verwendung von verwindungssteifem Material bzw. einer verwindungssteifen Materialdicke sowie ohne Molykotierung und ohne mechanischen Anschlag im Luftkanal sichergestellt ist, insbesondere bei kleinen Verschwenkwinkeln der Drosselklappe.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Drosselklappensteller vorgeschlagen. Der Drosselklappensteller umfasst ein Gehäuse mit einem Luftkanal, durch den Luft entlang einer Strömungsrichtung strömen kann. Der Drosselklappensteller umfasst weiterhin eine im Luftkanal angeordnete Drosselklappe, die an einer quer zur Strömungsrichtung angeordnete Achse um einen Winkel verschwenkbar ist. Die Drosselklappe weist eine zur Achse spiegelsymmetrische Außenkontur auf. Die Außenkontur der Drosselklappe ist weiterhin spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur Achse senkrechten Spiegellinie ausgebildet. Der Winkel, um den die Drosselklappe verschwenkt werden kann, beträgt bei senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteter Drosselklappe 0°. Die Drosselklappe ist derart gestaltet, dass bei einem definierten Klappenwinkel, der im Bereich von 3,5° bis 11 ° liegt, in einem ersten Quadranten die Außenkontur der Drosselklappe in der Projektion auf eine zur Strömungsrichtung senkrechte Projektionsfläche sowohl radial nach innen als auch radial nach außen von einer nominellen kreisrunden Form mit einem ersten Radius abweicht. Der erste Quadrant erstreckt sich dabei von einem ersten Spiegellinien-Schnittpunkt der Spiegellinie mit der projizierten Außenkontur der Drosselklappe hin zu einem ersten Achsen-Schnittpunkt der Achse mit der projizierten Außenkontur der Drosselklappe. Der erste Radius der nominellen kreisrunden Form ist dabei gegeben durch den mittleren Radius des Luftkanals abzüglich eines Spaltmaßes im Bereich von 25 µm bis 55 µm.
Bei senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteter Drosselklappe ist in einer Projektion der Drosselklappe entlang der Strömungsrichtung auf eine Projektionsfläche die projizierte Fläche der Drosselklappe maximal. Die Strömungsrichtung entspricht somit einer generischen Richtung, die mit derjenigen Projektionsrichtung übereinstimmt, in der die projizierte Fläche der Drosselklappe maximal ist. Die Drosselklappe ist bei diesem Verschwenkwinkel von 0° in ihrem geschlossenen Zustand. Ein leicht geöffneter Zustand kann in einem Verschwenkwinkelbereich von 0° bis ca. 12° vorliegen.
Aufgrund der Spiegelsymmetrie zu den zwei zueinander orthogonalen Achsen weisen alle vier Quadranten der Drosselklappe eine bis auf Fertigungstoleranzen spiegelidentische Außenkontur auf.
Der erste Quadrant kann dabei derjenige Quadrant sein, der beim Verschwenken der Drosselklappe bezüglich der Achse stromaufwärts im Luftkanal angeordnet ist. In gleicher Weise ist ein vierter Quadrant, der spiegelsymmetrisch zur Spiegellinie dem ersten Quadranten entspricht (zumindest bezüglich seiner Außenkontur), ebenfalls bei verschwenkter Drosselklappe stromaufwärts der Achse angeordnet. Ein zweiter Quadrant und ein dritter Quadrant sind demgemäß bei verschwenkter Drosselklappe bezüglich der Achse stromabwärts im Luftkanal angeordnet.
Die nominelle kreisrunde Form ist lediglich beim definierten Klappenwinkel zu berücksichtigen. Bei einem vom definierten Klappenwinkel abweichenden Klappenwinkel wird aus der nominellen kreisrunden Form eine mehr oder weniger stark verformte Ellipse.
Die nominelle kreisrunde Form ist lediglich beim definierten Klappenwinkel in einer Projektion auf eine zur Strömungsrichtung der luftsenkrechten Projektionsfläche gegeben. Ihr erster Radius sowie das Spaltmaß addieren sich beim definierten Klappenwinkel zum durchschnittlichen Radius des Luftkanals. Ein zum Spaltmaß korrespondierende Spalt erstreckt sich kreisringförmig um die Projektion der nominellen kreisrunden Form herum. Mit anderen Worten: wenn die Drosselklappe zentriert im Luftkanal angeordnet ist decken die Projektion der nominellen kreisrunden Form sowie der kreisringförmige Spalt mit einer Erstreckung über das Spaltmaßes den mittleren Radius des Luftkanals vollständig ab.
Durch die vorgeschlagene Abweichung der Außenkontur der Drosselklappe von der kreisrunden Form wird vorteilhaft bewirkt, dass die spezifizierte Leckluftmenge bzw. Luftmenge auch beim Betrieb des Motors der Brennkraftmaschine ohne Anschlag für die Drosselklappe im Luftkanal und ohne Molykotierung der Außenkontur der Drosselklappe erreicht werden kann. Dies wird dadurch bewirkt, dass im Betrieb durch den Differenzdruck aus einem ersten Druck stromaufwärts der Drosselklappe und einem zweiten Druck stromabwärts der Drosselklappe die Drosselklappe derart verformt wird, dass der gewünschte Leckluftspalt zwischen der Außenkontur der Drosselklappe und dem Luftkanal ausgebildet wird. Ein derartiger Druckunterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck kann beispielsweise zwischen 200 mbar und 600 mbar, beispielsweise 400 mbar betragen.
Mit anderen Worten: Durch die Formgebung der Außenkontur der Drosselklappe wird die Verformung der Drosselklappe im Betrieb des Motors der Brennkraftmaschine gegenüber einer Ruheform der Drosselklappe antizipiert. Die verformte Drosselklappe wird dabei derart antizipiert, dass die sich ergebenden Spalte zwischen der Drosselklappe und dem Luftkanal den Fluss der spezifizierten Luftmenge bzw. Leckluftmenge ermöglichen.
Die vorgeschlagene Form der Drosselklappe antizipiert auch einen möglichen Winkelfehler in der Position der Drosselklappe zum Luftkanal des Drosselklappenstellers. Ein solcher Winkelfehler kann z.B. bei einer abweichenden Positionierung zum definierten Klappenwinkel entstehen und in unerwünschter Weise zu geänderten Strömungs- und Spaltverhältnissen führen verglichen mit den Soll-Verhältnissen.
Auf diese Weise wird eine aufwändige und kostenintensive Molykotierung der Außenform der Drosselklappe ebenso entbehrlich wie eine Verstärkung des Materials der Drosselklappe, um auf diese Weise eine höhere Verwindungs- bzw. Verbiegungssteifigkeit zu erzielen. Ebenfalls vorteilhaft kann auf einen mechanischen Anschlag für die Drosselklappe im Luftkanal verzichtet werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Luftkanal einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung aufweist und der Radius des Luftkanals dem mittleren Radius entspricht. Dadurch kann eine besonders einfache Ausgestaltung des Drosselklappenstellers erfolgen. Die Einstellung der Leckluftmenge kann auf diese Weise vorteilhaft besonders präzise realisiert werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der definierte Klappenwinkel gewählt ist aus der Gruppe 4° oder 6,3° oder 8°. Es sind auch andere definierte Klappenwinkel denkbar, beispielsweise 5°, 7°, 9°, 10° oder 11°. Die Klappenwinkel 4°, 6,3° und 8° sind bevorzugte definierte Klappenwinkel für das Einstellen von Luftmengen bei Drosselklappenstellern. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Drosselklappe besonders einfach mit herkömmlichen Methoden bezüglich der Luftmengen bzw. Leckluftmengen geeicht bzw. abgeglichen bzw. abgestimmt werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Spaltmaß gewählt ist aus der Gruppe 27 µm; 30 µm ; 33 µm; 36 µm; 39 µm; 42 µm; 45 µm; 48 µm ; 51 µm; 54 µm. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass für unterschiedliche Anforderungen stets die richtige Luftmenge bzw. Leckluftmenge im geschlossenen Zustand der Drosselklappe ausgewählt werden kann.
Es versteht sich, dass das Spaltmaß mit der gewählten Gruppe für einen definierten Klappenwinkel von 4° eingerichtet sein kann, d.h. definierter Klappenwinkel = 4°, Spaltmaß ist gewählt aus der Gruppe 27 µm; 30 µm; 33 µm; 36 µm; 39 µm; 42 µm; 45 µm ; 48 µm ; 51 µm oder 54 µm; oder definierter Klappenwinkel = 6,3° und Spaltmaß ist gewählt aus der Gruppe 27 µm; 30 µm; 33 µm; 36 µm; 39 µm; 42 µm; 45 µm; 48 µm; 51 µm oder 54 µm; oder definierter Klappenwinkel = 8° und Spaltmaß ist gewählt aus der Gruppe 27 µm; 30 µm; 33 µm; 36 µm; 39 µm; 42 µm; 45 µm; 48 µm; 51 µm oder 54 µm.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Drosselklappe im ersten Quadranten zwei Winkelsektoren und einen Übergangspunkt aufweist. Der erste Winkelsektor erstreckt sich ausgehend vom ersten Spiegellinien-Schnittpunkt umlaufend in Richtung zur Achse über einen ersten Winkelbereich von 0° bis 25°. Der zweite Winkelsektor erstreckt sich ausgehend vom ersten Achsen-Schnittpunkt umlaufend in Richtung zur Spiegellinie über einen zweiten Winkelbereich von 0° bis 40°. Der Übergangspunkt befindet sich ausgehend vom ersten Spiegellinien-Schnittpunkt umlaufend in Richtung zur Achse betrachtet in einem dritten Winkelbereich von 30° bis 45°. Dabei ist vorgesehen, dass die Drosselklappe beim Klappenwinkel bzw. beim definierten Klappenwinkel im ersten Winkelsektor an jeder Stelle auf der Projektionsfläche eine Abweichung vom ersten Radius um -2 µm bis -20 µm aufweist, d.h. einen Radius, der radial innerhalb des ersten Radius' liegt bzw. kleiner ist als der erste Radius. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Drosselklappe beim definierten Klappenwinkel im zweiten Winkelsektor zumindest abschnittsweise, bevorzugt an jeder Stelle, auf der Projektionsfläche eine Abweichung vom ersten Radius um +2 µm bis +20 µm aufweist, d.h. radial nach außen über den ersten Radius hinausragt bzw. größer als der erste Radius ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Drosselklappe beim Klappenwinkel bzw. beim definierten Klappenwinkel am Übergangspunkt den ersten Radius aufweist, somit also die nominelle kreisrunde Form schneidet. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass im Betrieb der Drosselklappe, also z.B. bei laufendem Motor der Brennkraftmaschine, und somit anliegendem Differenzdruck zwischen Bereichen stromaufwärts und stromabwärts der Drosselklappe die Drosselklappe derart verformt bzw. verwunden wird, dass sich eine definierte Spaltfläche zwischen Drosselklappe und Luftkanal ergibt. Dadurch kann mit einfachen Mitteln vorteilhaft bewirkt werden, dass die spezifizierte Leckluftmenge bzw. Luftmenge erreicht wird.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass im zweiten Winkelbereich die Außenkontur ausgehend von der Achse zunächst im Wesentlichen senkrecht zur Achse ausgebildet ist und zumindest am ersten Achsen-Schnittpunkt innerhalb der nominellen kreisrunden Form verläuft. Mit anderen Worten: die Drosselklappe ist derart gestaltet, dass die Drosselklappe im zweiten Winkelbereich eine abgeflachte Form aufweist mit annähernd senkrechten Kanten. Durch diese Formgebung wird vorteilhaft bewirkt, dass in Abschnitten der Drosselklappe, welche nahe zur Achse angeordnet sind, ein definiertes Fenster bzw. ein definierter Spalt für das Durchströmen von Luft auch im geschlossenen Zustand der Drosselklappe geschaffen ist. Der Bereich im zweiten Winkelsektor ist aufgrund seiner Achsnähe am wenigsten von einer Verbiegung bzw. Verformung der Drosselklappe durch den Differenzdruck betroffen, da hier die Hebelkraft am geringsten ist. Die restlichen Abschnitte der Drosselklappe sind derart gestaltet, dass bei anliegendem Differenzdruck, z.B. im Betriebszustand des Motors der Brennkraftmaschine, eine möglichst vollständige Schließung des Luftkanals in den achsfernen Bereichen im geschlossenen Zustand der Drosselklappe bewirkt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Drosselklappe für einen Drosselklappensteller vorgeschlagen. Die Drosselklappe weist eine Achse auf. Die Drosselklappe ist, insbesondere quer zu einer Strömungsrichtung in einem Luftkanal des Drosselklappenstellers, um die Achse um einen Winkel verschwenkbar. Dabei weist die Drosselklappe eine zur Achse spiegelsymmetrische Außenkontur auf. Dabei ist die Außenkontur der Drosselklappe spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur Achse senkrechten Spiegellinie ausgebildet. Dabei beträgt der Winkel Null (0°), wenn die Drosselklappe entlang der Strömungsrichtung auf eine Projektionsfläche projiziert die größte projizierte Fläche aufweist. Die Drosselklappe ist derart gestaltet, dass bei einem definierten Klappenwinkel, der im Bereich von 3,5° bis 11° liegt, in einem ersten Quadranten die Außenkontur der Drosselklappe in der Projektion auf eine zur Strömungsrichtung senkrechten Projektionsfläche sowohl radial nach innen als auch radial nach außen von einer nominellen kreisrunden Form mit einem ersten Radius abweicht. Der erste Quadrant erstreckt sich von einem ersten Spiegellinien-Schnittpunkt der Spiegellinie mit der projizierten Außenkontur der Drosselklappe hin zu einem ersten Achsen-Schnittpunkt der Achse mit der projizierten Außenkontur der Drosselklappe. Dabei kann der erste Radius durch den mittleren Radius des Luftkanals abzüglich eines Spaltmaßes im Bereich von 25 µm bis 55 µm gegeben sein.
Durch die vorgeschlagene Drosselklappe wird vorteilhaft bewirkt, dass eine spezifizierte Leckluftmenge, die an der vorgeschlagenen Drosselklappe vorbei durch einen Luftkanal eines Drosselklappenstellers strömt, ohne eine Molykotierung der Außenkontur der Drosselklappe oder einen mechanischen Anschlag für die Drosselklappe im Luftkanal bewirkt werden kann. Die vorgeschlagene Form der Drosselklappe antizipiert eine Verformung der Drosselklappe im Luftkanal durch einen Differenzdruck, der sich aus der Druckdifferenz stromaufwärts der Drosselklappe und stromabwärts der Drosselklappe ergibt. Dadurch kann ohne aufwändige Hilfsmaßnahmen die definierte bzw. spezifizierte Leckluftmenge auf einfache Art und Weise erreicht werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: eine perspektivische und teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Drosselklappenstellers gemäß dem Stand der Technik;
2a: eine schematische Aufsicht auf eine Drosselklappe aus dem Stand der Technik;
2b: einen Querschnitt durch einen Teil der Drosselklappe aus 2a beim Klappenwinkel α₀;
2c: einen schematischen Querschnitt durch die Drosselklappe aus 2a und 2b im Luftkanal mit und ohne durchströmender Luft;
2d, 2e: eine Aufsicht auf die Drosselklappe im Luftkanal im Ruhezustand und im Betriebszustand;
3a: eine schematische Aufsicht auf die Projektionsfläche;
3b: eine schematische Aufsicht auf die auf die Projektionsfläche projizierte Außenkontur eines Ausführungsbeispiels der Drosselklappe.

1 zeigt eine perspektivische und aufgeschnittene Darstellung eines Drosselklappenstellers 1 für eine Drosselklappe 20 gemäß dem Stand der Technik. Der Drosselklappensteller 1 umfasst dabei ein Gehäuse 10 mit einem darin angeordneten Luftkanal 11. Der Luftkanal 11 hat einen kreisrunden Querschnitt senkrecht zu einer Strömungsrichtung 80 (hier: in die Bildebene hinein) von im Luftkanal 11 strömender Luft. Das Gehäuse 10 als solches ist aus einem Gehäuseunterteil 18 und einem Gehäusedeckel bzw. Deckel 19 gebildet. Im Luftkanal 11 ist ein Stellglied 20 bzw. eine Drosselklappe 20 angeordnet. Die Drosselklappe 20 ist um eine Achse A um einen Winkel α verschwenkbar, wobei der Winkel α bei senkrecht zur Strömungsrichtung 80 ausgerichteter, also geschlossener Drosselklappe 20, Null beträgt (α = 0°).
Der Drosselklappensteller 1 umfasst weiterhin einen Stellantrieb 30, beispielsweise einen Motor, z.B. einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) 31.
Der Stellantrieb 30 weist beispielsweise einen ungefähr zylindrischen Körper auf. Der Stellantrieb 30 ist mit einem ersten Ende 33 vom Deckel 19 des Gehäuses 10 abgewandt und mit einem vom ersten Ende 33 abgewandten zweiten Ende 34 dem Deckel 19 zugewandt.
Der Stellantrieb 30 weist an seinem zweiten Ende 34 eine Welle mit einem daran befestigten Treibrad 35 auf. Das Treibrad 35 ist als ein Zahnrad ausgebildet und kämmt mit einem ersten Zahnrad eines Getriebes 40. Das Getriebe 40 weist an einer Getriebeachse das erste Zahnrad mit einem großen Durchmesser und ein an derselben Getriebeachse angeordnetes zweites Zahnrad mit einem im Vergleich zum ersten Zahnrad kleineren Durchmesser auf. Das zweite Zahnrad des Getriebes 40 kämmt mit einem Zahnkranz, welcher an der Achse A der Drosselklappe 20 befestigt ist. Auf diese Weise kann vom Stellantrieb 30 über das Getriebe 40 ein Drehmoment auf die Achse A der Drosselklappe 20 übertragen werden, um so ein Verschwenken der Drosselklappe 20 um den gewünschten Winkel α zu bewirken. Die Drosselklappe 20 kann eine zur Achse A senkrechte Spiegellinie S aufweisen. Da die Drosselklappe 20 kreisrund ist, ist sie zur Achse A spiegelsymmetrisch. Die Drosselklappe 20 ist daher außerdem zur Spiegellinie S spiegelsymmetrisch.
In den folgenden Figuren sind Elemente, die denen aus 1 gleichen oder welche dieselben Funktionen bewirken, mit gleichen Bezugszeichen dargestellt.
2a zeigt eine Projektion einer Drosselklappe aus dem Stand der Technik auf eine zur Strömungsrichtung 80 (hier in die Bildebene hineinweisend) senkrechte Projektionsfläche P. Die Drosselklappe 20 ist dabei beispielsweise, wie in 2b dargestellt, um einen definierten Verschwenkwinkel α₀, beispielsweise um 5° verschwenkt. Unter diesem definierten Klappenwinkel α₀ weist die Drosselklappe 20 in der Projektion auf die Projektionsfläche P eine nominelle kreisrunde Form 28 mit ihrer Außenkontur 29 auf. Die Drosselklappe 20 ist dabei konzentrisch zum Luftkanal 11 angeordnet. Die nominelle kreisrunde Form 28 der Außenkontur 29 weist dabei einen ersten Radius R1 auf. Der erste Radius R1 ist dabei kleiner als der durchschnittliche Radius RM des Luftkanals 11. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Luftkanal 11 kreisrund ausgeformt. Im Falle eines leicht von der kreisrunden Form abweichenden Luftkanals 11 wird der durchschnittliche Radius RM über den Radius einer Fläche ermittelt, die dieselbe Fläche wie der Querschnitt des Luftkanals 11 aufweist. Der Unterschied zwischen dem durchschnittlichen Radius RM und dem ersten Radius R1 entspricht dem Spaltmaß SP eines Spalts, der sich zwischen der Außenkontur 29 der Drosselklappe 20 und dem Luftkanal 11 in Form eines Kreisrings erstreckt.
2b zeigt eine Schnittansicht entlang der Spiegellinie S durch die Drosselklappe 20 aus 2a.
Die Drosselklappe 20 ist um den definierten Klappenwinkel α₀ um die Achse herum verschwenkt. Es ist der erste Quadrant Q1 bzw. vierte Quadrant Q4 der Drosselklappe dargestellt. Der erste Quadrant Q1 erstreckt sich dabei von einem ersten Spiegellinien-Schnittpunkt der Außenkontur 29 mit der Spiegellinie 22 umlaufend dem Uhrzeigersinn folgend bis zu einem ersten Achsen-Schnittpunkt 23 der Achse A mit der Außenkontur 29. Der erste Quadrant Q1 ist somit bei einem Verschwenken der Drosselklappe 20 stromaufwärts der Achse A bezüglich der Strömungsrichtung 80 angeordnet.
2c zeigt die Drosselklappe 20 aus den 2a und 2b im Luftkanal 11 angeordnet. Dabei wird die Drosselklappe 20 in zwei unterschiedlichen Zuständen dargestellt. Im ersten Zustand ist die Drosselklappe 20 dargestellt in einem Zustand, in welchem nur ein geringer Differenzdruck Δp aus einem ersten Druck p1 stromaufwärts der Drosselklappe und einem zweiten Druck p2 stromabwärts der Drosselklappe 20 herrscht (Δp = p1 - p2). Dies kann beispielsweise ein Zustand bei ausgeschaltetem Motor sein. In diesem Zustand ist die Drosselklappe im Wesentlichen scheibenförmig als zweidimensionales Gebilde ausgebildet. Mit anderen Worten: Sie ist nicht verbogen. Wird nun durch das Betätigen des Motors der Brennkraftmaschine ein Luftstrom erzeugt, so steigt der Betrag des Differenzdrucks |Δp| an. Der Betrag |Δp| des Differenzdrucks kann z.B. zwischen 100mbar und 600mbar liegen, z.B. bei 400mbar. Die Drosselklappe 20 verformt sich in die gestrichelt gezeichnete Drosselklappe 20'. Insbesondere die achsfernen Abschnitte der Drosselklappe 20 werden bezüglich ihrer zweidimensionalen scheibenförmigen Gestalt im unverwundenen Zustand nun durch den steigenden Differenzdruck in Richtung des Luftstroms 80 verwunden bzw. verbogen, siehe die verformte Drosselklappe 20'. Auf diese Weise ergeben sich am Rand der Drosselklappe 20' bzw. der Außenkontur 29 andere Spalte bezüglich des Luftkanals 11 als im unverwundenen bzw. unverformten Zustand der Drosselklappe 20.
2d zeigt den Spalt zwischen Drosselklappe 20 und Luftkanal 11 im Ruhezustand, in dem der Differenzdruck Δp nahe Null mbar beträgt. Dabei ist im oberen Teil der Figur, also im Bereich des ersten und vierten Quadranten Q1, Q4 ein erster Spalt 21a zwischen der Außenkontur 29 der Drosselklappe 20 und dem Luftkanal 11 zu erkennen. Im unteren Teil der Figur, also im Bereich des zweiten und dritten Quadranten Q2, Q3 ist ein zweiter Spalt 21b zwischen der Außenkontur 29 der Drosselklappe 20 und dem Luftkanal 11 zu erkennen. Bei einer zur Achse A spiegelsymmetrischen Außenkontur 29 der Drosselklappe sind der erste Spalt 21a und der zweite Spalt 21b gleich groß.
2e zeigt den Spalt zwischen Drosselklappe 20' und Luftkanal 11 im Betriebszustand, in dem der Differenzdruck Δp 100 mbar bis 600mbar beträgt. Durch den Differenzdruck verformt sich die Drosselklappe 20' im Betriebszustand verglichen mit der Drosselklappe 20 im Ruhezustand aus 2d. Damit ändert sich auch ihre Außenkontur 29' und der erste Spalt 21a', der durch den stromaufwärtigen Teil der Drosselklappe 20' zum Luftkanal 11 frei gelassen wird verkleinert sich im Vergleich zum ersten Spalt 21a im Ruhezustand. Umgekehrt vergrößert sich der zweite Spalt 21b' im Vergleich zum zweiten Spalt 21b im Ruhezustand aus 2d. Dadurch ändert sich die Luftmenge, die durch den Drosselsteller gelangen kann.
Durch die Abweichung von der kreisrunden Form der Außenkontur 29 der Drosselklappe 20 in der Projektion auf die Projektionsfläche P beim definierten Klappenwinkel α₀ kann die Luftmenge, die die Drosselklappe passiert vorteilhaft genauer eingestellt werden, insbesondere kann die spezifizierte Leckluftmenge besser eingehalten werden. Denn im oberen Teil der Figur (erster und vierter Quadrant Q1, Q4) ragt die Außenkontur 29 im Ruhezustand in achsfernen Bereichen radial nach innen im Vergleich zu der nominellen Kreisform 28. Somit bleibt ein definierter Luftspalt 21a erhalten. Siehe dazu auch die 3a und 3b.
In den 2d und 2e beträgt der Verschwenkwinkel α z.B. 3° bis 12°. Somit entspricht der Verschwenkwinkel α in den Figuren ungefähr dem definierten Klappenwinkel α₀.
Der Luftkanal 11 ist in den 2c - 2e durch eine mittige Linie in zwei symmetrische Hälften unterteilt, wobei die mittige Linie durch die Achse A verläuft. In der Zeichnung sind der erste Quadrant Q1 und der vierte Quadrant Q4 bei verschwenkter Drosselklappe 20, 20' stromaufwärts der Achse A angeordnet und der zweite Quadrant Q2 und der dritte Quadrant Q3 stromabwärts der Achse A bezüglich der Strömungsrichtung 80. Durch den Differenzdruck Δp verformt sich die Drosselklappe 20 im ersten und vierten Quadrant Q1, Q4 in Richtung eines weiter geschlossenen Zustands, im zweiten und dritten Quadrant Q2, Q3 in Richtung eines weiter geöffneten Zustands
3a zeigt eine Aufsicht auf eine Projektion auf die Projektionsfläche P. Die Drosselklappe 20 ist wieder in die vier Quadranten Q1, Q2, Q3 und Q4 eingeteilt. Die nominelle Kreisform 28 mit Radius R1 ist gestrichelt dargestellt. Im ersten Quadranten Q1, der aufgrund der Symmetriebeziehungen zumindest bezüglich der Außenkontur spiegelidentisch zum zweiten Quadranten Q2, zum dritten Quadrant Q3 und zum vierten Quadranten Q4 ausgebildet ist, sind ein erster Winkelsektor W1, ein zweiter Winkelsektor W2, ein dritter Winkelsektor W3 sowie ein Übergangspunkt 25 eingezeichnet. Der erste Winkelsektor W1 erstreckt sich dabei ausgehend vom ersten Spiegellinien-Schnittpunkt 22 umlaufend in Richtung zur Achse A. Der erste Winkelsektor W1 erstreckt sich über einen ersten Winkelbereich β1 zwischen 0° und 25°. Der zweite Winkelsektor W2 erstreckt sich ausgehend vom ersten Achsen-Schnittpunkt 23 umlaufend in Richtung zur Spiegellinie S, also in der Figur entgegen dem Uhrzeigersinn. Der zweite Winkelsektor W2 erstreckt sich über einen zweiten Winkelbereich γ von 0° bis 40°. Weiterhin ist ein dritter Winkelsektor W3 vorgesehen. Dieser erstreckt sich wie der erste Winkelsektor W1 ausgehend vom ersten Spiegellinien-Schnittpunkt 22 im Uhrzeigersinn in Richtung zur Achse A. Der dritte Winkelsektor W3 endet in einem Übergangspunkt 25, wobei sich der Übergangspunkt 25 als Schnittpunkt des dritten Winkelsektors W3 mit der idealen nominellen Kreisform 28 ergibt. Der dritte Winkelsektor W3 erstreckt sich über einen dritten Winkelbereich β2 von 30° bis 45° ausgehend von der Spiegellinie S. Der erste Winkelsektor W1 und der dritte Winkelsektor W3 können mit einem Winkel β bemessen werden, der sich im Uhrzeigersinn ausgehend von der Spiegellinie S zwischen erstem Quadrant Q1 und viertem Quadrant Q4 erstreckt. Der zweite Winkelsektor W2 kann durch einen Winkel γ bemessen werden, der sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend von der Achse A im ersten Quadrant Q1 erstreckt.
Für eine Ausführungsform kann im zweiten Winkelsektor W2 die Außenkontur 29 abgeflacht sein, so dass der erste Achsen-Schnittpunkt 23' radial innerhalb der nominellen Kreisform liegt. Die abgeflachten, achsnahen Bereiche können im Wesentlichen senkrecht zur Achse A verlaufen.
3b zeigt mit einer dicken durchgezogenen Linie die Außenkontur 29 eines Ausführungsbeispiels der Drosselklappe 20. Dabei ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich der erste Quadrant Q1 dargestellt. Die anderen drei Quadranten Q2, Q3 und Q4 sind aufgrund der Spiegelsymmetrie zur Achse A und zur Spiegellinie S zumindest bezüglich ihrer Außenkontur 29 spiegelidentisch zum ersten Quadranten Q1 ausgebildet. Die Außenkontur 29 weicht im ersten Winkelsektor W1 an jeder Stelle auf der Projektionsfläche P vom ersten Radius R1 um -2 µm bis -20 µm ab, liegt also radial innerhalb der nominellen kreisrunden Form 28. Im zweiten Winkelsektor W2 weicht die Außenkontur 29 zumindest abschnittsweise, bevorzugt jedoch an jeder Stelle, auf der Projektionsfläche P um +2 µm bis +20 µm vom ersten Radius R1 ab, liegt also radial außerhalb der nominellen kreisrunden Form 28. Am Übergangspunkt 25 weist die Außenkontur 29 exakt den ersten Radius R1 der nominellen idealen Kreisform 28 auf.
Beispielsweise kann die Außenkontur 29 gegeben sein für ein Spaltmaß von 30 µm bei einem definierten Klappenwinkel α₀ von 4° oder von 6,3° oder von 8°. Der erste Winkelsektor W1 kann beispielsweise einen ersten Winkelbereich β1 von 20° überstreichen, der zweite Winkelsektor W2 kann beispielsweise einen zweiten Winkelbereich γ von 30° überstreichen und der dritte Winkelsektor W3 kann beispielsweise einen dritten Winkelbereich β2 von 45° überstreichen.
In der Figur ist auch eine Variante dargestellt, in welcher die Außenkontur 29 der Drosselklappe 20 in der Nähe der Achse A, also im zweiten Winkelsektor W2, zunächst im Wesentlichen senkrecht zur Achse A ausgebildet ist und zunächst radial innerhalb der nominellen kreisrunden Form 28 verläuft, siehe dazu auch den ersten Achsen-Schnittpunkt 23'. Auf diese Weise ist zwischen der Außenkontur 29 und dem Luftkanal 11 ein definierter Spalt im achsnahen Bereich geschaffen, der sich auch bei größeren Differenzdrücken nicht stark verformt. In dieser Ausbildungsform mit abgeflachten Seiten kann die Leckluftmenge besonders genau eingestellt werden.
Die vorgeschlagene Form der Drosselklappe 20 für einen Drosselklappensteller 1 kann für alle Arten von Drosselklappen eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008055127 A1 [0005]

Claims

Drosselklappensteller, umfassend -- ein Gehäuse (10) mit einem Luftkanal (11), durch den Luft entlang einer Strömungsrichtung (80) strömen kann, -- eine im Luftkanal (11) angeordnete Drosselklappe (20), die an einer quer zur Strömungsrichtung (80) angeordneten Achse (A) um einen Winkel (α) verschwenkbar ist, wobei die Drosselklappe (20) eine zur Achse (A) spiegelsymmetrische Außenkontur (29) aufweist, wobei die Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur Achse (A) senkrechten Spiegellinie (S) ausgebildet ist, wobei der Winkel (α) bei senkrecht zur Strömungsrichtung (80) ausgerichteter Drosselklappe (20) Null beträgt, wobei die Drosselklappe (20) derart gestaltet ist, dass bei einem definierten Klappenwinkel (α₀), der im Bereich von 3,5° bis 11° liegt, -- in einem ersten Quadranten (Q1) die Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) in der Projektion auf eine zur Strömungsrichtung (80) senkrechte Projektionsfläche (P) sowohl radial nach innen als auch radial nach außen von einer nominellen kreisrunden Form (28) mit einem ersten Radius (R1) abweicht, wobei sich der erste Quadrant (Q1) von einem ersten Spiegellinien-Schnittpunkt (22) der Spiegellinie (S) mit der projizierten Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) hin zu einem ersten Achsen-Schnittpunkt (23) der Achse (A) mit der projizierten Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) erstreckt, wobei der erste Radius (R1) gegeben ist durch den mittleren Radius (RM) des Luftkanals (11) abzüglich eines Spaltmaßes (SP) im Bereich von 25µm bis 55µm.
Drosselklappensteller nach Anspruch 1, wobei der Luftkanal (11) einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung (80) aufweist und der Radius des Luftkanals (11) dem mittleren Radius (RM) entspricht.
Drosselklappensteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der definierte Klappenwinkel (ao) gewählt ist aus der Gruppe 4°; 6,3°; 8°.
Drosselklappensteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spaltmaß (SP) gewählt ist aus der Gruppe 27µm; 30µm; 33µm; 36µm; 39µm; 42µm; 45µm; 48µm; 51µm; 54µm.
Drosselklappensteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drosselklappe (20) im ersten Quadranten (Q1) zwei Winkelsektoren (W1, W2) und einen Übergangspunkt (25) aufweist: -- einen ersten Winkelsektor (W1), der sich ausgehend vom ersten Spiegellinien-Schnittpunkt (22) in Richtung zur Achse (A) über einen ersten Winkelbereich von 0° bis 25° erstreckt, -- einen zweiten Winkelsektor (W2), der sich ausgehend vom ersten Achsen-Schnittpunkt (23) in Richtung zur Spiegellinie (S) über einen zweiten Winkelbereich von 0° bis 40° erstreckt, -- einen Übergangspunkt (25), der sich ausgehend vom Spiegellinien-Schnittpunkt (22) in Richtung zur Achse (A) in einem dritten Winkelbereich von 30° bis 45° befindet, wobei die Drosselklappe (20) beim definierten Klappenwinkel (ao) -- im ersten Winkelsektor (W1) an jeder Stelle auf der Projektionsfläche (P) eine Abweichung vom ersten Radius (R1) um -2µm bis -20µm aufweist, -- im zweiten Winkelsektor (W2) zumindest abschnittsweise, bevorzugt an jeder Stelle, auf der Projektionsfläche (P) eine Abweichung vom ersten Radius (R1) um +2µm bis +20µm aufweist, -- am Übergangspunkt (25) den ersten Radius (R1) aufweist.
Drosselklappensteller nach Anspruch 5, wobei im zweiten Winkelbereich (W2) die Außenkontur (29) ausgehend von der Achse (A) zunächst im Wesentlichen senkrecht zur Achse (A) ausgebildet ist und zumindest am ersten Achsen-Schnittpunkt (23) radial innerhalb der nominellen kreisrunden Form (28) verläuft.
Drosselklappe für einen Drosselklappensteller, wobei die Drosselklappe (20) eine Achse (A) aufweist, wobei die Drosselklappe (20), insbesondere quer zur Strömungsrichtung (80) in einem Luftkanal (11) des Drosselklappenstellers (1), um die Achse (A) um einen Winkel (α) verschwenkbar ist, wobei die Drosselklappe (20) eine zur Achse (A) spiegelsymmetrische Außenkontur (29) aufweist, wobei die Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur Achse (A) senkrechten Spiegellinie (S) ausgebildet ist, wobei der Winkel (α) Null beträgt, wenn die Drosselklappe (20) entlang der Strömungsrichtung (80) auf eine Projektionsfläche (P) projiziert die größte projizierte Fläche aufweist, wobei die Drosselklappe (20) derart gestaltet ist, dass bei einem definierten Klappenwinkel (µ₀), der im Bereich von 3,5° bis 11° liegt, -- in einem ersten Quadranten (Q1) die Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) in der Projektion auf eine zur Strömungsrichtung (80) senkrechte Projektionsfläche (P) sowohl radial nach innen als auch radial nach außen von einer nominellen kreisrunden Form (28) mit einem ersten Radius (R1) abweicht, wobei sich der erste Quadrant (Q1) von einem ersten Spiegellinien-Schnittpunkt (22) der Spiegellinie (S) mit der projizierten Außenkontur (29) der Drosselklappe (20) hin zu einem ersten Achsen-Schnittpunkt (23) der Achse (A) mit der projizierten Außenkontur (29) der Drosselklappe erstreckt, wobei insbesondere der erste Radius (R1) gegeben ist durch den mittleren Radius (RM) des Luftkanals (11) abzüglich eines Spaltmaßes (SP) im Bereich von 25µm bis 55µm.