DE102019124542A1

DE102019124542A1 - Drossel, Drosselsystem, Druckluftführendes System

Info

Publication number: DE102019124542A1
Application number: DE102019124542.7A
Authority: DE
Inventors: Jörn Wildhagen; Johannes Prinz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drossel zum einstellbaren Regulieren eines durch einen Strömungskanal strömenden Volumenstroms, aufweisend:
- ein Drosselelement
- einen in einer Strömungsrichtung des Volumenstroms vor dem Drosselelement liegenden Drosseleingang,
- einen in der Strömungsrichtung hinter dem Drosselelement liegenden Drosselausgang, wobei
- das Drosselelement eine Sperrwand aufweist, die um eine Drehachse drehbar ausgebildet ist, wobei
- durch Drehen der Sperrwand in einer Drehbewegung um die Drehachse der Strömungskanal zum Regulieren des Volumenstroms selektiv versperrt werden kann.
Erfindungsgemäß ist bei der Drossel vorgesehen, dass die Sperrwand eine Öffnung aufweist, derart, dass bei einer Einstellung der Sperrwand in einer geschlossenen Position ein Rest-Volumenstrom von dem Drosseleingang zu dem Drosselausgang strömen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drossel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Drosselsystem gemäß dem Anspruch 7 sowie ein druckluftführendes System gemäß dem Anspruch 11.
Drosseln sind weithin bekannt. Im Wesentlichen erzeugen Drosseln ein Hindernis in einem Strömungskanal, beispielsweise durch eine Verengung oder eine Blende, um eine Druckminderung eines strömenden Fluid zu erreichen. In der Regel zeichnen sich Drosseln dabei dadurch aus, dass sie keine Vorrichtung zur Abnahme einer Arbeit enthalten.
In vielen technischen Bereichen, beispielsweise im Bereich von Antriebs- und Arbeitsmaschinen, und dort insbesondere im Bereich von Druckluftsystemen, werden Drosseln eingesetzt, um ein vorhandenes Druckluftniveau auf ein für eine spezifische Anwendung geeignetes, bestimmtes Druckluftniveau abzusenken. Das vorhandene Druckluftniveau kann dabei um ein Vielfaches größer sein, und beispielsweise von einer primären Druckluftquelle, beispielsweise einem Kompressor oder einem Turbolader, bereitgestellt werden. Neben der Erzeugung von Druckluft, welche auf ein Niveau oberhalb des Umgebungsdrucks verdichtet wurde, kann eine solche Umwandlung ebenso einen Unterdruck, das heißt Luft, welche auf ein Niveau unterhalb des Umgebungsdrucks liegt, betreffen.
Damit eine Drossel auf eine bestimmte Anwendung, insbesondere auf eine gewünschte Druckminderung bei konkreten, insbesondere wiederkehrenden Betriebsbedingungen eingestellt werden kann, haben sich einstellbare Drosseln als vorteilhaft erwiesen. Mittels solchen einstellbaren Drosseln kann die Größe des Hindernisses im Strömungskanal variiert werden, um den Grad der Druckminderung für einen konkreten Anwendungsfall anzupassen.
Das Konzept ist jedoch noch verbesserungswürdig hinsichtlich der Einstellbarkeit einer Drossel. Dies betrifft insbesondere die Möglichkeit einer genauen und zuverlässigen Einstellung unter geringem Aufwand.
Wünschenswert ist es daher, die Einstellbarkeit einer Drossel, insbesondere hinsichtlich der Möglichkeit einer genauen und zuverlässigen Einstellung unter geringem Aufwand, zu verbessern.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine verbesserte Drossel anzugeben, die die eingangs genannten Nachteile zumindest teilweise behebt. Die Aufgabe, betreffend die Drossel, wird durch die Erfindung mit einer Drossel des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer Drossel zum einstellbaren Regulieren eines durch einen Strömungskanal strömenden Volumenstroms, aufweisend:

- ein Drosselelement
- einen in einer Strömungsrichtung des Volumenstroms vor dem Drosselelement liegenden Drosseleingang,
- einen in der Strömungsrichtung hinter dem Drosselelement liegenden Drosselausgang, wobei
- das Drosselelement eine Sperrwand aufweist, die um eine Drehachse drehbar ausgebildet ist, wobei
- durch Drehen der Sperrwand in einer Drehbewegung um die Drehachse der Strömungskanal zum Regulieren des Volumenstroms selektiv versperrt werden kann.

Erfindungsgemäß ist bei der Drossel vorgesehen, dass die Sperrwand eine Öffnung aufweist, derart, dass bei einer Einstellung der Sperrwand in einer geschlossenen Position ein Rest-Volumenstrom von dem Drosseleingang zu dem Drosselausgang strömen kann.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Einstellbarkeit einer Drossel grundsätzlich vorteilhaft ist. Insbesondere ergibt sich aus der Einstellbarkeit die vorteilhafte Möglichkeit, mit einer Bauform einer Drossel eine große Anzahl verschiedener Anwendungen abzudecken. Beispielsweise kann ein einziger einstellbarer Drosseltyp in eine Reihe verschiedener, unter verschiedenen Drücken arbeitenden, Maschinentypen verbaut werden, indem die jeweilige zu verbauende Drossel bei der Montage oder Inbetriebnahme entsprechend auf die gewünschte Druckminderung eingestellt wird.
Hierbei hat die Erfindung jedoch erkannt, dass eine genaue Einstellbarkeit einer gewünschten Druckminderung in der Regel aufwändig ist. Dies trifft insbesondere für einstellbare Drosseln zu, welche aufgrund von konstruktiven Vorteilen - wie geringer Fehleranfälligkeit und geringen Herstellungskosten - konstruktiv relativ einfach gestaltet sind. Insbesondere auf Drosseln mit einem drehbaren Drosselelement, welche eine Sperrwand aufweisen, die mittels einer Drehbewegung stufenlos zwecks Versperrung in den Leitungsquerschnitt gedreht werden können, um auf diese Weise eine definierte Druckminderung eines strömenden Fluid zu erzeugen, trifft dieses Problem der genauen Einstellbarkeit zu.
Die Erfindung hat hier erkannt, dass insbesondere ab einem bestimmten Schließwinkel, das heißt Drehposition der Sperrwand, die Drossel sehr sensibel auf eine Veränderung der Drehposition reagiert. Das heißt, dass in diesem Bereich bereits eine geringe Veränderung der Drehposition eine große Veränderung der Druckminderung hervorrufen kann.
Die Erfindung schließt die überraschende Erkenntnis ein, dass eine Öffnung in der Sperrwand - obwohl dadurch ein vollständiges Versperren des Strömungskanals unmöglich wird - signifikante Vorteile hinsichtlich einer genauen und einfacheren Einstellbarkeit der Drossel bietet.
Mit einer derartigen Öffnung in der Sperrwand wird vorteilhaft über weite Bereiche der Drehposition, insbesondere über den gesamten Bereich der Drehposition zwischen 0 und 90°, ein gleichmäßiges, insbesondere zumindest in Bereichen quasi-lineares, Verhältnis zwischen dem Schließwinkel und dem Grad der Druckminderung, erzeugt.
Hierdurch wird vorteilhaft, insbesondere wegen des weniger sensiblen Verhaltens der Einstellbarkeit, eine genauere Einstellbarkeit der Drossel, insbesondere bei einer konstruktiv relativ einfach gestalteten Drossel mit drehbarer Sperrwand, ermöglicht.
Weiterhin kann eine Öffnung in der Sperrwand vorteilhaft die Robustheit und Sicherheit des Systems erhöhen, insbesondere wenn die Drossel, beispielsweise durch einen Bedienungsfehler, im vollständig versperrten Zustand, das heißt mit einem Schließwinkel von 90°, betrieben wird.
In diesem Falle findet nämlich nicht, wie bei einer konventionellen Drossel, eine vollständige Versperrung des Strömungskanals statt, sondern es kann noch ein Rest-Volumenstrom die Öffnung passieren. Hierdurch können Schäden an in Strömungsrichtung abwärts gelegenen Komponenten vorteilhaft vermieden werden.
Auch wird durch eine derartige Drossel erreicht, dass zum Erzielen der Wirkung lediglich das Drosselelement durch Hinzufügen einer Öffnung verändert wird, die restlichen Komponenten, insbesondere ein Drosselgehäuse, jedoch unverändert belassen werden können. Hierdurch wird die gewünschte Wirkung vorteilhaft durch geringe konstruktive Anpassungen erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Drossel weiter ein Anschlusselement aufweist, mittels dem das Drosselelement von außen verdreht werden kann. Ein solches Anschlusselement kann insbesondere eine Anformung aufweisen. Die Anformung kann vorteilhaft als Außen- oder Innensechskantkopf, Schlitz- oder Kreuzschraubenkopf oder dergleichen Schraubenkopf ausgebildet sein, um die Drehposition des Drosselelements über ein entsprechendes Werkzeug relativ einfach verändern zu können. Weiterhin kann das Anschlusselement über ein Dichtelement in dem Drosselgehäuse gehalten werden, sodass insbesondere der Übergang zwischen Drosselgehäuse und Anschlusselement, das heißt der Bereich, an dem das Anschlusselement durch die Wand des Drosselgehäuses tritt, trotz Ermöglichung einer Relativbewegung fluiddicht abgeschlossen ist. Die Passung zwischen dem Anschlusselement und dem Dichtelement (oder zwischen dem Anschlusselement und dem Drosselgehäuse) kann vorteilhaft so gewählt werden, dass eine auf das Anschlusselement wirkende Haltekraft entsteht, sodass das Drosselelement sich nach der Einstellung in die gewünschte Drehposition im Betrieb nicht mehr von selbst aus dieser Drehposition bewegt.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Passung zwischen dem Drosselelement und dem Drosselgehäuse (insbesondere zwischen einem Führungskörper und mindestens einer zu diesem Führungskörper korrespondierenden Lauffläche im Drosselgehäuse) so gewählt werden, dass eine auf das Drosselelement wirkende Haltekraft entsteht.
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Drossel mindestens eine Markierung aufweist zum Einstellen des Drosselements in mindestens eine Referenz-Drehposition. Eine derartige Markierung kann insbesondere durch einen außen an das Drosselgehäuse angebrachten Strich gebildet sein, welcher durch Drehung des Anschlusselements mit einem auf dem Anschlusselement oder einer Anformung aufgebrachten, korrespondierenden Strich zum Erreichen einer Referenz-Drehposition in Überlappung gebracht werden muss. Hierdurch kann vorteilhaft eine für einen bestimmten Maschinentyp oder Anwendungsfall gewünschte Drosselstellung unter relativ geringem Aufwand eingestellt werden. Mehrere Referenz-Drehpositionen durch entsprechende Markierungen festgelegt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Anzahl an unterschiedlich, insbesondere farbig, markierten Strichen, die auf der Außenseite des Drosselgehäuses in einem ringförmigen, um das Anschlusselement liegenden Bereich angeordnet sind.
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Öffnung eine Bohrung ist. Durch Bohren mit einem relativ einfachen Fertigungsverfahren eine Öfnung erzeugt werden.
Gleichwohl sind auch andere Öffnungsformen im Rahmen der Erfindung möglich, wobei bei der Wahl insbesondere sowohl strömungstechnische als auch fertigungstechnische Erwägungen berücksichtigt werden sollten. Während eine Bohrung zu einer zylindrischen Öffnung führt, die aufgrund ihres runden Querschnitts strömungstechnische Vorteile hat, können generell auch andere Öffnungsformen, beispielsweise eine ovale Öffnung, oder ein oder mehrere Schlitze, zu einem vergleichbaren Effekt führen.
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Öffnung einen Öffnungsquerschnitt aufweist, der zwischen 5 % und 20 % eines Leitungsquerschnitts des Strömungskanals beträgt. Ein Verhältnis der Querschnittsflächen in diesem Wertebereich stellt einen guten Kompromiss aus einer ausreichend hohen Sperrwirkung auf der einen Seite, und einer gemäß dem Konzept der Erfindung zu erreichenden geringen Sensibilität der Einstellbarkeit der Drossel auf der anderen Seite dar.
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Öffnung eine Bohrung mit einem Durchmesser zwischen 12 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 14 mm und 18 mm, besonders bevorzugt von 16 mm ist.
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass die Öffnung eine Bohrung mit einem Durchmesser zwischen 16 mm und 24 mm, bevorzugt zwischen 18 mm und 22 mm, besonders bevorzugt von 20 mm ist.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch andere Durchmesser der Öffnung möglich.
Je größer die Öffnung gewählt wird, desto weniger sensibel reagiert die Drossel auf eine Änderung der Drehposition; gleichzeitig wird jedoch auch die Sperrwirkung der Drossel insgesamt reduziert. Daher ist stets eine für die Anwendung geeignete Größe, insbesondere Durchmesser, der Öffnung zu wählen
Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, dass das Drosselelement mindestens einen Führungskörper aufweist und ein Drosselgehäuse mindestens eine mit dem Führungskörper korrespondierende Lauffläche, welche das Drosselelement derart hält, dass lediglich die Drehbewegung des Drosselelements ermöglicht und insbesondere eine translatorische Bewegung des Drosselelements verhindert wird. Ein derartiger Führungskörper kann insbesondere zylindrisch ausgebildet sein, und durch diese Form eine Lagerung des Drosselelements darstellen, welche eine Drehbewegung des Drosselelements zur Veränderung der Drehposition ermöglicht. Besonders vorteilhaft können im Drosselgehäuse eine oder mehrere zu dem Führungskörper komplementäre Laufflächen gebildet sein, in denen sich der Führungskörper bei der Drehbewegung bewegen kann. Über die Laufflächen und den Führungskörper kann das Drosselelement somit drehbar im Drosselgehäuse gelagert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Funktion der drehbaren Lagerung auch durch ein oder mehrere Anschlusselemente übernommen werden. Auch eine Kombination von einem Führungskörper auf der (in Richtung der Drehachse betrachteten) einen Seite des Drosselelements und einem Anschlusselement auf der gegenüberliegenden Seite des Drosselelements ist zur Realisierung einer Lagerung möglich. Auch können selbstverständlich an beiden dieser Seiten des Drosselelements jeweils ein Führungskörper vorgesehen sein, sodass das Anschlusselement keine lagernde Funktion mehr übernehmen muss.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Drosselsystem mit einer Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung, weiter aufweisend einen Stellaktor zum Verändern der Drehposition des Drosselelements. Mittels eines solchen Stellaktors kann die Drehbewegung zum Einstellen einer gewünschten Drehposition vorteilhaft automatisch erzeugt werden. Hierdurch muss zum Einstellen der gewünschten Drehposition die Drossel selbst nicht mehr notwendigerweise zugänglich sein, sondern kann sich beispielsweise schon im nicht mehr zugänglichen Zustand befinden, beispielsweise weil die Montage einer Maschine bereits stattgefunden hat. Auch wird hierdurch ein nachträgliches Ändern der Drosseleinstellung nach einer bestimmten Betriebsphase entsprechend erleichtert. Der Stellaktor kann insbesondere als elektrischer Antrieb ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung weist das Drosselsystem weiter eine Steuereinheit auf zum Erzeugen eines Steuersignals für den Stellaktor. In einer derartigen Steuereinheit können vorteilhaft vorgespeicherte Referenz-Drehpositionen hinterlegt sein, welche über ein geeignetes Bedienelement oder dergleichen Benutzerschnittstelle bei Bedarf abgerufen werden können. So können insbesondere für verschiedene Maschinentypen und/oder Anwendungsfälle geeignete Drehpositionen hinterlegt sein, welche bei der Inbetriebnahme über ein Bedienfeld ausgewählt werden können.
In einer Weiterbildung weist das Drosselsystem weiter mindestens einen Sensor zum Bestimmen eines Messsignals auf, insbesondere eines gemessenen Druckes, als Eingangsgröße für die Steuereinheit zum Erzeugen des Steuersignals. In einer derartigen Weiterbildung wird der Einstellvorgang der Drossel vorteilhaft in einem noch höheren Maße automatisiert, da auf Basis eines tatsächlich gemessenen Drucks, insbesondere auf der Seite des Drosselausgangs, eine Einstellung der Drehposition des Drosselelements vorgenommen und korrigiert werden kann, bis der gemessene Druck dem gewünschten Sollwert entspricht. Hierdurch können menschliche Fehlerquellen bei der Einstellung verringert werden und - durch den erhöhten Automatisierungsgrad - der Einstellungsvorgang vorteilhaft beschleunigt werden.
In einer Weiterbildung des Drosselsystems ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, auf Basis des Messsignals einen Druck, insbesondere einen in einem Kurbelgehäuse herrschenden Unterdruck, durch Ansteuern des Stellaktors über das Steuersignal kontinuierlich zu regeln. In einer derartigen Weiterbildung besteht vorteilhaft die Möglichkeit einer kontinuierlichen Regelung der Drehposition des Drosselelements. Durch ein kontinuierliches Messen des im Kurbelgehäuse herrschenden Unterdrucks und - im Falle von Abweichungen des Drucks - ein ständiges Nachstellen des Drosselelements, kann ein praktisch gleichbleibender Druck, insbesondere am Drosselausgang, gewährleistet werden. Eine derartige Weiterbildung ist insbesondere vorteilhaft für Anwendungen, bei denen es auf das Erreichen und Halten eines möglichst konstanten Druckes ankommt. Hier ist eine Drosselklappe mit einer Öffnung gemäß dem Konzept der Erfindung besonders vorteilhaft, da sie aufgrund des unsensiblen Verhaltens weniger extrem reagiert, insbesondere bei Regelvorgängen zur Korrektur einer Abweichung vom Solldruck. Hierdurch werden die apparativen Anforderungen an die Regeleinrichtung für das Erreichen eines stabilen Regelkreises vorteilhaft reduziert.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein druckluftführendes System mit einer Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung oder einem Drosselsystem gemäß dem Konzept der Erfindung, weiter aufweisend eine Druckluftquelle, insbesondere einen Turbolader und einen Druckluftverbraucher, insbesondere ein Kurbelgehäuse. Hierbei kann die Druckluftquelle insbesondere einem anderen Primärzweck dienen, beispielsweise der Verdichtung von Ladeluft für eine Brennkraftmaschine, und die Drossel oder das Drosselsystem zur Erzeugung einer Druckminderung eingesetzt werden, um Druckluft für einen Sekundärzweck, beispielsweise der Erzeugung von Unterdruck in einem Kurbelgehäuse, in geeigneter Weise zur Verfügung zu stellen. Ein derartiges druckluftführendes System bietet den Vorteil einer relativ einfachen Anpassbarkeit eines für einen bestimmten Maschinentyp, d. h. eine bestimmte Motorvariante, benötigten Unterdrucks. Das Niveau des für das Kurbelgehäuse benötigten Unterdrucks kann für verschiedene Maschinentypen - insbesondere für Maschinentypen mit unterschiedlichen Zylinderzahlen und somit unterschiedlichen benötigten Luftvolumenströmen - abweichen. Aufgrund der Einstellbarkeit der Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung kann vorteilhaft eine Bauteilgleichheit über eine Mehrzahl von Maschinentypen und/oder Motorrandbedingungen erzielt werden und somit eine Kostenreduktion erreicht werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

1A, 1B eine Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung in einer geöffneten Position,
2A, 2B eine Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung in einer geschlossenen Position,
3 den Verlauf der mittels einer Drossel erzeugten Druckminderung in Abhängigkeit der Drehposition,
4A-C verschiedene Ausführungsformen eines Drosselsystems im Rahmen der Erfindung.
1A zeigt eine Drossel 100 gemäß dem Konzept der Erfindung in einer geöffneten Position PO in einer Schnittansicht durch einen Strömungskanal K. Die Blickrichtung ist dabei entlang der Strömungsrichtung SR ausgerichtet, sodass ein Leitungsquerschnitt A, der von einem rechteckigen, als Drosselgehäuse 400.3 ausgebildeten Gehäuse 400 umfasst wird, sichtbar ist.

Die Drossel 100 weist ein innerhalb des Drosselgehäuses 400.3 um eine Drehachse AD drehbar gelagertes Drosselelement 102 auf. Die Drehachse AD ist senkrecht zur Strömungsrichtung SR angeordnet. Weitere Lagerelemente zur Ermöglichung einer Drehbewegung BD, welche insbesondere aus dem Fachmann bekannten, geeigneten Gleit- oder Wälzlagerelementen bestehen können, sind hier aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt.
Das Drosselelement 102 weist vorliegend an seinen in Richtung der Drehachse AD außenliegenden Seiten jeweils einen zylindrischen Führungskörper 108 auf. Zwischen den zylindrischen Führungskörpern 108 ist eine Sperrwand 110 angeordnet, welche hinsichtlich ihrer Größe grundsätzlich ausgebildet ist, den gesamten Leitungsquerschnitt A (vorliegend abzüglich des bereits durch die Führungkörper 108 versperrten Teils des Leitungsquerschnitts A) in einer geschlossenen Position PG der Drossel 100 zu versperren.
Das Drosselelement 102 weist ein Anschlusselement 140 auf, welches eine mechanische, momentenübertragende Verbindung zu einem Bereich außerhalb der Drossel 100 herstellt. Mittels des Anschlusselements 140 kann die Drossel 100 von außen eingestellt werden, das heißt die Drehbewegung BD zur Erzeugung einer gewünschten Drehposition PD auf das Drosselelement 102 übertragen werden. Hierzu kann das Anschlusselement 140 eine geeignete Anformung 142, beispielsweise in Form eines Außen- oder Innensechskants oder dergleichen Schraubenkopf, aufweisen. Grundsätzlich ist jede Geometrie geeignet, welche die Übertragung eines Drehmoments ermöglicht. Weiterhin weist das Drosselgehäuse 400.3 ein Dichtelement 146 auf, welches den Bereich zwischen dem Anschlusselement 140 und dem Drosselgehäuse 400.3 fluid- und insbesondere luftdicht verschließt. Das Dichtelement 146 kann im einfachsten Fall durch eine hinreichend genaue Passung zwischen Anschlusselement 140 und Drosselgehäuse 400.3 gebildet sein, oder auch durch eine geeignete Kunststoff-, insbesondere Gummidichtung.
Gemäß dem Konzept der Erfindung weist die Sperrwand 110 eine Öffnung 112 auf, welche vorliegend in Form einer Bohrung 114 ausgebildet ist. Die Öffnung 112 erstreckt sich somit zylindrisch entlang einer Öffnungsachse AO, wobei die Öffnungsachse AO senkrecht zur Oberfläche der Sperrwand 110 angeordnet ist. Die Öffnung 112 ist vorliegend sowohl in Richtung der Drehachse AD, als auch in der anderen - innerhalb der Ebene der Sperrwand 110, senkrecht zur Drehachse AD gelegenen - Richtung, mittig angeordnet.
In 1B ist die Drossel 100, ebenfalls in geöffneter Position PO, in einer weiteren Schnittansicht dargestellt, bei der die Schnittebene um 90° um die Öffnungsachse AO der Öffnung 112 gedreht ist. Somit ist ein Bereich des durch das Drosselgehäuse 400.3 führenden Strömungskanals K sichtbar. Von einem Drosseleingang 104 kann, insbesondere in der geöffneten Position PO, ein Volumenstrom V in einer Strömungsrichtung SR an dem Drosselelement 102 vorbei zu einem Drosselausgang 106 strömen.
Das Drosselelement 102 ist in der geöffneten Position PO derart zur Strömungsrichtung SR gedreht, dass die Sperrwand 110 eine minimale Angriffsfläche für den vorbeiströmenden Volumenstrom V bildet. Je geringer eine Wanddicke WD der Sperrwand 110, desto geringer der Einfluss der Sperrwand 110 auf den Volumenstrom V in der geöffneten Position PO.
Weiterhin sind in 1B - im Gegensatz zu 1A - zur Verdeutlichung einer beispielhaften Lagerungsform des Drosselelements 102 - Laufflächen 120 dargestellt, welche in das Drosselgehäuse 400.3 eingeformt sind und mit den beiden Führungskörpern 108 im Sinne eines Gleitlagers korrespondieren. Die Laufflächen 120 bilden somit eine Aufnahme für die Führungskörper 108, wobei die Laufflächen 120 eine Drehbewegung BD ermöglichen, jedoch andere, insbesondere translatorische Bewegungen unterbinden.
Wie bereits obenstehend erwähnt, ist diese Form der Lagerung, das heißt eine auf Führungskörpern 108 und damit korrespondierenden Laufflächen 120 basierende Führung, lediglich beispielhaft gezeigt. Es ist im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich, auf Führungskörper 108 zu verzichten und stattdessen beispielsweise eine sich über den gesamten Leitungsquerschnitt A erstreckende Sperrwand 110 auf zwei zylindrischen Zapfen (oder dergleichen Lagerelemente) in dem Drosselgehäuse 400.3 zu lagern, um eine Drehbewegung BD des Drosselelements 102 zu ermöglichen.
Vorteilhaft bei sämtlichen Lagerungsformen im Rahmen der Erfindung ist die Aufrechterhaltung einer Haltekraft FH, welche das Drosselelement 102 nach der Einstellung der gewünschten Drehposition PD permanent in dieser Position hält. Dadurch wird eine zuverlässige, gleichbleibende Druckminderung während des gesamten Betriebs der Drossel gewährleistet. Diese Haltekraft FH wird insbesondere durch eine Reibkraft zwischen dem Drosselelement 102 und dem Drosselgehäuse 400.3 (vorliegend zwischen den Führungskörpern 108 und den Laufflächen 120) gebildet. Jedoch sind im Rahmen der Erfindung auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung einer Haltekraft FH denkbar, beispielsweise durch eine Kontermutter am Anschlusselement 140, welche eine Klemmkraft zwischen dem Drosselelement 102 und dem Drosselgehäuse 400.3 erzeugt. Vorliegend sind jedem Führungskörper 108 zwei Laufflächen 120, nämlich eine oben liegende und eine unten liegende Lauffläche 120 im Drosselgehäuse 400.3 zugeordnet. Von diesen insgesamt vier Laufflächen 120 sind aufgrund der Schnittdarstellung in 1B nur zwei, nämlich für den in Blickrichtung hinten liegenden Führungskörper 108, dargestellt.
In 2A ist die Drossel 100 in derselben Ansicht wie 1A, jedoch in einem geschlossenen Zustand PG dargestellt. Somit ist die Sperrwand 110 in seiner vollen Ausbreitung sichtbar, die - zusammen mit den beiden Führungskörpern 108 - den gesamten Leitungsquerschnitt A des Strömungskanals K versperrt. Gemäß dem Konzept der Erfindung findet jedoch keine vollständige Sperrung des Strömungskanals K statt, da durch die Öffnung 112 weiterhin eine fluidführende Verbindung zwischen dem Drosseleingang 104 und dem Drosselausgang 106 besteht, und somit ein Rest-Volumenstrom VR durch das Drosselelement 102 strömen kann (siehe hierzu auch 2B).
Die als Bohrung 114 ausgebildete Öffnung 112 weist einen Durchmesser D auf. Der Durchmesser kann beispielsweise in einer ersten Ausführungsform einen ersten Durchmesser D1 von 16 mm haben, oder in einer zweiten Ausführungsform einen zweiten Durchmesser D2 von 20 mm.
In 2B ist die Drossel 100 in derselben Ansicht wie in 1B, jedoch ebenfalls in der geschlossenen Position PG dargestellt. Dies bedeutet, dass die Drehposition PD, das heißt der Schließwinkel des Drosselelements 102, 90° beträgt. Die Sperrwand 110 ist somit um 90° um die Drehachse AD aus der 1B gezeigten geöffneten Position PO in die in 2B gezeigte geschlossene Position PG gedreht. In diesem Zustand wird die durch die Drossel 100 maximal mögliche Sperrwirkung erzielt. Auch wenn diese Sperrwirkung aufgrund der Öffnung 112 nicht vollständig ist, so kann in dieser geschlossenen Position PG lediglich nur noch ein Rest-Volumenstrom VR vom Drosseleingang 104 zum Drosselausgang 106 strömen. Je größer ein Öffnungsquerschnitt AO der Öffnung 112, insbesondere je größer der Durchmesser D, desto größer ist entsprechend der Rest-Volumenstrom VR in der geschlossenen Position PG.
Die von der Drossel 100 bewirkte Druckminderung, das heißt insbesondere die Absenkung von einem am Drosseleingang 104 herrschenden Eingangsdrucks PE zu einem am Drosselausgang 106 herrschenden Ausgangsdrucks PA, ist von der Drehposition PD, das heißt von dem Schließwinkel des Drosselelements 102, abhängig.
Der Zusammenhang zwischen der Druckminderung MP und der Drehposition PD ist in 3 schematisch dargestellt. Hierbei zeigt eine erste Kurve SDT den Verlauf der Druckminderung MP über die Drehposition PD bei einer konventionellen einstellbaren Drossel gemäß dem Stand der Technik. Zu sehen ist, wie nach einem zunächst nahezu linearen, flach ansteigenden Verlauf die Druckminderung MP bei einer Drehposition PD von ca. 25° plötzlich steil ansteigt, und die Druckminderung MP bei einer Drehposition PD von 40° bereits einen Wert über 80 mbar annimmt. Hierdurch wird es bei einer Einstellung der Drossel, beispielsweise bei der Inbetriebnahme einer Maschine, in der diese Drossel verbaut ist, aufgrund des sehr sensitiven Verhaltens in diesem Bereich von Drehpositionen PD ab 25° schwierig, die gewünschte Druckminderung MP einzustellen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund zu sehen, dass die Drehposition PD des Drosselelements 102 in der Regel mit einem Schraubenschlüssel oder dergleichen Werkzeug manuell über das Anschlusselement 140 eingestellt wird.
Eine weitere Kurve MPD1 beschreibt den entsprechenden Verlauf der Druckminderung MP für eine Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer Öffnung in der Sperrwand, wobei der Durchmesser D1 der Öffnung 16 mm beträgt. Zu sehen ist, dass der Verlauf der Kurve MPD1 im Vergleich zur Kurve SDT auch im Bereich höherer Drehpositionen PD wesentlich flacher ansteigt, und selbst bei einer Drehposition PD von 50° noch einen Wert von unter 35 mbar aufweist. Hierdurch wird vorteilhaft - im Vergleich zum Stand der Technik - ein weniger sensibles Einstellverhalten erreicht, und somit die Einstellbarkeit der Drossel erleichtert.
Eine dritte Kurve MPD2 zeigt einen entsprechenden Verlauf der Druckminderung MP bei einer zweiten Ausführungsform gemäß dem Konzept der Erfindung, bei dem der Durchmesser D2 der Öffnung in der Sperrwand 20 mm beträgt. Durch diesen im Vergleich zum Durchmesser D1 größeren Wert wird ein größerer Restvolumenstrom VR ermöglicht, und entsprechend weist die dritte Kurve MPD2 einen noch flacheren Verlauf als die zweite Kurve MPD1 auf. In dieser Ausführungsform mit dem Durchmesser D2 ist das Einstellverhalten der Drossel also vorteilhaft noch weniger sensibel, das heißt, dass - von allen drei hier dargestellten Ausführungsformen - bei dieser Ausführungsform eine definierte Drehbewegung des Drosselelements um einen festen Betrag, beispielsweise um einen Winkel von 1°, die geringste Veränderung der Druckminderung MP zur Folge hat.
4A zeigt eine Ausführungsformen eines druckluftführenden Systems 3000 mit einer Drossel 100 gemäß dem Konzept der Erfindung. Vorliegend ist die Drossel 100 zwischen einem Turbolader 600 und einem Kurbelgehäuse 2000 angeordnet. Zur Erzeugung eines Unterdrucks PU im Kurbelgehäuse 2000 ist das Kurbelgehäuse 2000 mit einem Ansaugrohr 400.2 des Turboladers 600 verbunden. Indem der Turbolader 600 Luft über das Ansaugrohr 400.2 angesaugt, um es an einem Laderausgang 400.1 in verdichteter Weise bereitzustellen, entsteht am Ansaugrohr 400.2 ein Unterdruck, nämlich ein Ladereingangsdruck PLE. Dieser Ladereingangsdruck PLE hat zur Folge, dass ein Volumenstrom V aus dem Kurbelgehäuse 2000 in Richtung des Ansaugrohrs 400.2 strömt. Die Drossel 100 sorgt nun dafür, über eine entsprechende Druckminderung MP, welche über die Drehposition DP des Drosselelements 102 eingestellt werden kann, einen gewünschten Unterdruck PU im Kurbelgehäuse 2000 zu erzeugen.
Durch die Druckminderung MP wird somit der am Drosseleingang 104 vorherrschende Ladereingangsdruck PLE auf einen gewünschten, am Drosselausgang 106 - und somit auch näherungsweise im Kurbelgehäuse 2000 - vorherrschenden Unterdruck PU reduziert. Trotz des im Vergleich zu den 1 und 2 umgekehrten Volumenstroms V bezeichnet der Drosseleingang 104 dabei die der Druckluftquelle - hier dem Turbolader 600 - zugewandte Seite der Drossel 100, und der Drosselausgang 106 entsprechend die der Druckluftquelle abgewandte Seite der Drossel 100.
Insbesondere über ein Anschlusselement 140 kann die Drehposition PD entsprechend der benötigten Druckminderung MP eingestellt werden. Typische Umgebungsbedingungen in einem solchen druckluftführenden System 3000 sind beispielsweise Volumenströme V zwischen 400 1/min und 1000 1/min, beispielsweise 700 1/min, und Temperaturen von 80 °C.
Bei einer Drehposition PD größer als 0°, das heißt bei einer teilweisen Versperrung der Drossel 100, ist ein zwischen Drossel 100 und Kurbelgehäuse 2000 in einem Verbindungskanal 400.4 strömender, zweiter Volumenstrom V2 geringer als der im Ansaugrohr 400.2 strömende Volumenstrom V. Entsprechend ist der Unterdruck PO im Kurbelgehäuse 2000 geringer als der im Ansaugrohr 400.2 herrschende Ladereingangsdruck PLE.
Im Fall, dass die Drehposition PD 90° beträgt, also bei einer vollständigen Versperrung der Drossel 100, strömt lediglich noch ein Rest-Volumenstrom VR vom Kurbelgehäuse 2000 durch den Verbindungskanal 400.4 und eine hier nicht dargestellte Öffnung 112 in der Sperrwand 110 der Drossel 100.
Durch eine entsprechende Einstellung der Drehposition PD über das Anschlusselement 140 kann somit eine gewünschte Druckminderung MP eingestellt werden, die zu einem gewünschten Unterdruck PU im Kurbelgehäuse führt. Hierbei kann insbesondere bei gleichen oder ähnlichen Maschinentypen auf Erfahrungswerte, das heißt Drehpositionen PD (das heißt Schließwinkel) des Drosselelements zurückgegriffen werden, die beispielsweise in Form einer oder mehrerer Markierungen 144 außen am Drosselgehäuse 400.3 oder am Anschlusselement 140 für einen Bediener sichtbar angebracht sein kann. Indem beispielsweise eine auf dem Anschlusselement 140 angebrachte Markierung 144 mit einer korrespondierenden Markierung 144 auf dem Drosselgehäuse 400.3 durch Drehung des Anschlusselements 140 ausgerichtet wird, kann auf schnelle und einfache Weise eine Referenzposition für eine gewünschte Druckminderung MP eingestellt werden. Insbesondere können für verschiedene Motoren, d. h. Maschinentypen, entsprechende Markierungen angebracht sein.
In 4B ist ein weiteres druckluftführendes System 3000' mit einem Drosselsystem 1000' dargestellt, das eine weitere Ausführungsform einer Drossel 100' gemäß dem Konzept der Erfindung aufweist. Die Drossel 100 ‚unterscheidet sich von der in 4A gezeigten Drossel 100 dadurch, dass sie einen Stellaktor 200 aufweist, der ausgebildet ist, das Drosselelement 102 zu verstellen. Hierzu ist der Stellaktor 200 über eine Steuerleitung 210 mit einer Steuereinheit 240 des Drosselsystems 1000‘ signalleitend verbunden. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, über die Steuereinheit 240 oder entsprechende mit der Steuereinheit 240 verbundene Eingabegeräte, eine Drehposition DP, beispielsweise in Form eines numerischen Wertes, anzugeben, welcher dann über den Stellaktor 200 in der Drossel 100' durch die automatische Drehung des Drosselelements 102 eingestellt werden kann. Auch besteht in dieser Ausführungsform der Drossel 100' die Möglichkeit, voreingestellte Referenz-Drehpositionen RDP, beispielsweise für einen bestimmten Maschinentyp oder Anwendungsfall, aufzurufen und über den Stellaktor 200 entsprechend einzustellen. In einer derartigen Ausführungsform muss die Einstellung der Drossel 100' also nicht mehr manuell vorgenommen werden, sondern wird auf Eingabe eines Wertes automatisch vorgenommen.
In 4C ist ein weiteres druckluftführendes System 3000" mit einem weiteren Drosselsystem 1000" dargestellt, das eine weitere Ausführungsform einer Drossel 100" aufweist. Das hier gezeigte Drosselsystem 1000" unterscheidet sich von dem in 4B gezeigten Drosselsystem 1000' insbesondere dadurch, dass es einen Sensor 220 aufweist, der signalleitend mit der Steuereinheit 240' verbunden ist, und das Drosselsystem 1000" auf diese Weise einen Regelkreis bildet. Auf diese Weise kann insbesondere der Unterdruck PU im Kurbelgehäuse 2000 vorteilhaft kontinuierlich geregelt werden. Hierzu kann beispielsweise ein erster Drucksensor 220A, der im Verbindungskanal 400.4 angeordnet ist, oder ein zweiter Drucksensor 220B, der im Kurbelgehäuse angeordnet ist, jeweils über eine entsprechende Sensorleitung 222A, 222B ein Messsignal SM an die Steuereinheit 240' senden. Die Steuereinheit 240' kann dann auf Basis des Messsignals SM ein entsprechendes Stellsignal SST generieren, welches über die Steuerleitung 210 an den Stellaktor 200 übermittelt werden kann. Auf diese Weise kann einer durch einen Sensor 220 festgestellten Abweichung des Unterdrucks PU von einem Sollwert in automatisierter Weise entgegengewirkt werden, indem das Drosselelement 102 der Drossel 100" durch den Stellaktor 200 entsprechend verstellt wird. Neben den hier gezeigten Alternativen Positionen der Drucksensoren 220A und 220B können auch andere geeignete Positionen für einen Sensor 220 gewählt werden oder auch Kombinationen von mehreren Sensoren zur Bestimmung und Regelung eines Druckes verwendet werden.
Für die in 4B und 4C gezeigten Ausführungsformen von Drosselsystemen 1000' und 1000" ist die Drossel 100, 100', 100" mit einer Öffnung in der Sperrwand gemäß dem Konzept der Erfindung besonders geeignet, da durch das weniger sensible Verhalten der Einstellbarkeit geringere Anforderungen an die Steuer- und Regelunghardware gestellt werden. Insbesondere neigt eine Drossel gemäß dem Konzept der Erfindung - wie in 3 gezeigt - zu einem stabileren Verhalten, was die Gefahr eines Überschwingens erheblich senkt. Insbesondere die Reaktionszeit des Regelkreises kann somit geringer ausfallen als bei einem Drosselsystem mit einer konventionellen Drossel ohne Öffnung.
Bezugszeichenliste

100, 100', 100'': Drossel
102: Drosselelement
104: Drosseleingang
106: Drosselausgang
108: Führungskörper
110: Sperrwand
112: Öffnung
114: Bohrung
120: Lauffläche
140: Anschlusselement
142: Anformung
144: Markierung
146: Dichtelement
200: Stellaktor
210: Steuerleitung
220: Sensor
220A, 220B: Erster, zweiter Drucksensor
222: Sensorleitung
222A, 222B: Erste, zweite Sensorleitung
240,240': Steuereinheit
400: Gehäuse
400.1: Laderausgang
400.2: Ansaugrohr
400.3: Drosselgehäuse
400.4: Verbindungskanal
600: Turbolader
1000: Drosselsystem
2000: Kurbelgehäuse
3000, 3000', 3000'': Druckluftfuhrendes System
A: Leitungsquerschnitt
AD: Drehachse
AO: Öffnungsquerschnitt
BD: Drehbewegung
D: Durchmesser
D1: Durchmesser einer ersten Ausführungsform
D2: Durchmesser einer zweiten Ausführungsform
K: Strömungskanal
MP: Druckminderung
MPD 1: Druckminderungsverlauf einer ersten Ausführungsform
MPD2: Druckminderungsverlauf einer zweiten Ausführungsform
OA: Öffnungsachse
PD: Drehposition, Schließwinkel
PG: Geschlossene Position
PLE: Ladereingangsdruck
PO: Geöffnete Position
PU: Unterdruck
SDT: Druckminderungsverlauf einer Drossel des Standes der Technik
SM: Messsignal
SR: Strömungsrichtung
SST: Steuersignal
RDP: Referenz-Drehposition
V: Volumenstrom
V2: Zweiter Volumenstrom
VR: Rest-Volumenstrom

Claims

Drossel (100, 100', 100") zum einstellbaren Regulieren eines durch einen Strömungskanal (K) strömenden Volumenstroms (V), aufweisend: - ein Drosselelement (102) - einen in einer Strömungsrichtung (SR) des Volumenstroms (V) vor dem Drosselelement (102) liegenden Drosseleingang (104), - einen in der Strömungsrichtung (SR) hinter dem Drosselelement liegenden Drosselausgang (106), wobei - das Drosselelement (102) eine Sperrwand (110) aufweist, die um eine Drehachse (AD) drehbar ausgebildet ist, wobei - durch Drehen der Sperrwand (110) in einer Drehbewegung (BD) um die Drehachse (AD) der Strömungskanal (K) zum Regulieren des Volumenstroms (V) selektiv versperrt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass - die Sperrwand (110) eine Öffnung (112) aufweist, derart, dass bei einer Einstellung der Sperrwand (110) in einer geschlossenen Position (PG) ein Rest-Volumenstrom (VR) von dem Drosseleingang (104) zu dem Drosselausgang (106) strömen kann.
Drossel (100, 100', 100") nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (100, 100', 100") weiter ein Anschlusselement (140) aufweist, mittels dem das Drosselelement (102) von außen verdreht werden kann.
Drossel (100, 100', 100") nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (100, 100', 100") mindestens eine Markierung (144) aufweist zum Einstellen des Drosselements (102) in mindestens eine Referenz-Drehposition (RDP).
Drossel (100, 100', 100") nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (112) einen Öffnungsquerschnitt (AO) aufweist, der zwischen 5 % und 35 % eines Leitungsquerschnitts (A) des Strömungskanals (K) beträgt.
Drossel (100, 100', 100") nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (112) eine Bohrung (114) ist.
Drossel (100, 100', 100") nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (102) mindestens einen Führungskörper (108) aufweist und ein Drosselgehäuse (400.3) mindestens eine mit dem Führungskörper (108) korrespondierende Lauffläche (120), welche das Drosselelement (102) derart hält, dass lediglich die Drehbewegung (BD) des Drosselelements (102) ermöglicht und insbesondere eine translatorische Bewegung des Drosselelements (102) verhindert wird.
Drosselsystem (1000, 1000', 1000'') mit einer Drossel (100, 100', 100") nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter aufweisend einen Stellaktor (200) zum Verändern der Drehposition (DP) des Drosselelements (102).
Drosselsystem (1000, 1000', 1000") nach Anspruch 7, weiter aufweisend eine Steuereinheit (240, 240') zum Erzeugen eines Steuersignals (SST) für den Stellaktor (200).
Drosselsystem (1000, 1000', 1000") nach Anspruch 8, weiter aufweisend mindestens einen Sensor (220, 220A, 220B) zum Bestimmen eines Messsignals (SM), insbesondere eines gemessenen Druckes, als Eingangsgröße für die Steuereinheit (240, 240') zum Erzeugen des Steuersignals (SST).
Drosselsystem (1000, 1000', 1000") nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (240, 240') ausgebildet ist, auf Basis des Messsignals (SM) einen Druck, insbesondere einen in einem Kurbelgehäuse (2000) herrschenden Unterdruck (PU), durch Ansteuern des Stellaktors (200) über das Steuersignal (SST) kontinuierlich zu regeln.
Druckluftführendes System (3000, 3000', 3000'') mit einer Drossel (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einem Drosselsystem (1000, 1000', 1000") nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiter aufweisend eine Druckluftquelle, insbesondere einen Turbolader (600) und einen Druckluftverbraucher, insbesondere ein Kurbelgehäuse (2000).