EP1498596B1 - Drosselspaltdichtung für Ventile - Google Patents

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EP1498596B1
EP1498596B1 EP20040016087 EP04016087A EP1498596B1 EP 1498596 B1 EP1498596 B1 EP 1498596B1 EP 20040016087 EP20040016087 EP 20040016087 EP 04016087 A EP04016087 A EP 04016087A EP 1498596 B1 EP1498596 B1 EP 1498596B1
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EP
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insert
throttle
control element
valve
casing
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EP20040016087
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EP1498596A3 (de
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Arno Hofmann
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/08—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits
    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps

Definitions

  • the invention relates to a throttle gap seal according to the preamble of claim 1 for valves which control the flow of gaseous media in internal combustion engines cyclically (i.e., per cycle) and exhibit very low leak rates when closed.
  • a throttle gap seal according to the preamble of claim 1 is known from JP 10 103089 A.
  • the housing is provided there with a lateral recess into which the insert can be inserted sealingly.
  • the insert and the housing are connectable, so that the insert is firmly connected in its inserted into the housing position with this.
  • the actuator of the valve is designed as a throttle valve, which is held rigidly in a bearing shaft for the throttle valve.
  • the bearing shaft itself is not adjustable mounted in the insert.
  • the invention proposes a throttle gap seal according to the features of claim 1.
  • the throttle gap seal according to the invention thus has an insert, which is received in the housing. This is sealed to the housing with at least one seal.
  • the insert comprises the flow cross-section of the housing and can be aligned, preferably in the closed state of the valve, with the actuator of the valve facing sealing surface to the position of the actuator with the insert facing the sealing surface at least once in the housing.
  • the sealing surface of the insert and the sealing surface of the actuator face each other in the closed position of the valve without continuous force. Insertion and actuator are thus free of forces.
  • the actuator assumes its rest-closed position without a stop against the insert and housing.
  • the actuator assumes its rest-closed position without a stop against the insert and housing.
  • the sealing surface of the actuator with changing the flow cross-section of the valve with respect to the sealing surface of the insert executes any trajectory, wherein the trajectory of the sealing surface of the actuator to the rest-closing position of the actuator a tangential direction relative to the Includes sealing surface of the insert.
  • This trajectory may, for example, be oscillating and / or rotating, linear, circular, elliptical, parabolic, etc. It performs during the movement process of the actuator of the center of gravity of the actuator relative to the center of mass of the insert any curved path, for example, a rotary motion, a linear displacement, a combination of both forms of motion or no movement.
  • the seal preferably takes on additional functions in addition to the medium seal, such as the thermal insulation between housing and insert and / or the attachment of the insert in the housing.
  • This case of thermal insulation relates in particular to the static aspect.
  • the thermal insulation between housing and insert ensures, in particular in the event that the valve is arranged in the region of a cylinder head, that the heating of the housing does not transfer to the insert, and thus causes a high temperature difference between the actuator and insert.
  • the actuator and the insert have a similar ratio of medium-flushed component surfaces / heat capacity of the component in order to achieve a similar time behavior with respect to the thermal expansion of the components.
  • This training of actuator and insert considers in particular effects due to strong intake air heating in turbocharged engines.
  • the actuator consists of one or more individual components, which are made in part of one or more low-density materials, such as light metal, metal foam, plastic foam, fiber-reinforced plastic.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the throttle sealing gap between actuator and insert is adjustable by positioning the insert in the plane or additionally perpendicular to the plane. This positioning can be done by mechanical (for example distance gauge), optical (for example light gap measurement) or hydraulic (for example gap flow) calibration of the throttle sealing gap.
  • the calibration of the throttle sealing gap can also be done by self-centering of the insert on the actuator. This is preferably done by applying the sealing surface of the valve to the sealing surface of the insert, wherein one of these surfaces is provided with a thick coating, which the throttle gap in the assembled state at least partially closes and which wears off in the subsequent operation of the valve on the opposite, wear-resistant sealing surface.
  • the throttle sealing gap by automatically returning the orientation of the insert on the actuator in the rest-closed position. This is achieved, for example, by a decreasing throttle gap height in the direction of the rest-closed position.
  • the insert is movable, but medium-tight seals on the housing from and the sealing surfaces of insert and actuator are provided with a wear-resistant surface coating.
  • valve 16 has a housing 1 for guiding the gaseous medium in the valve 16.
  • a housing 1 for guiding the gaseous medium in the valve 16.
  • the housing 1 is a movable drivable, pivotable about the axis of rotation 24 actuator 4 for changing the corresponding flow cross-section 11 provided in the valve.
  • an insert 2 is added. This is sealed to the housing 1 with a seal 3.
  • the insert part 2 comprises the flow cross-section 11 of the housing 1.
  • the actuator 4 is shown in its closed position.
  • the insert 2 can be in the closed state 6 of the valve in its the actuator 4 facing sealing surface 10, as illustrated in particular in Figure 2, at least once in the housing align and form the position of the actuator 4 with the insert 2 facing sealing surface a throttle gap 12.
  • the sealing surface 10 of the insert 2 and the sealing surface 8 of the actuator 4 are, without continuous force on each other, in the closed position 6 of the valve opposite.
  • the actuator 4 assumes its closed position 6 without a stop against the insert 2 and housing 1.
  • the sealing surface 8 of the actuator 4 performs with a change of the flow cross section 11 of the valve with respect to the sealing surface 10 from a circular path of movement 9.
  • the movement path of the sealing surface 8 to the rest-closing position 6 of the actuator 4 includes a tangential direction 7 relative to the sealing surface 10th
  • the longitudinal center axis of the housing 1 is denoted by the reference numeral 14, the plane arranged perpendicular to the throttle sealing gap 12 by the reference numeral 15.
  • the actuator 4 In the rest position, the actuator 4 is symmetrical to the plane 15.
  • the reference numeral 5, the open, thus pivoted by 90 ° position of the actuator 4 is designated.
  • the reference numeral 13 illustrates a position of the actuator 4 when the flow cross-section 11 is released or closed.
  • the throttle sealing gap 12 is present during the closing operation of the valve even before reaching the rest-closing position 6 of the actuator 4 from this position 13, whereby the actuator when closing the flow cross-section 11, a movement speed greater zero is imposed.
  • the throttle sealing gap 12 is maintained during the opening operation of the valve for a portion of the onset of movement of the actuator 4 from its rest-closed position 6 out to its position 13, whereby the actuator 4 at the beginning of release of the flow cross section 11, a movement speed greater than zero is imposed.
  • the actuator 4 and the insert 2 consists of a material with a similar coefficient of thermal expansion.
  • the seal 3 assumes, in addition to the medium seal, additional functions, in particular the thermal insulation between the housing 1 and insert 2 and / or the attachment of the insert 2 in the housing 1.
  • the actuator 4 and the insert 2 have a similar coefficient of medium lapped component surfaces / Heat capacity of the component to achieve a similar time behavior with respect to the thermal expansion of the components.
  • the actuator 4 is the component surfaces 22 and 23 and the component surface formed by the sealing surface 8 of the actuator 4, and the insert 2 to the component surfaces 17 and 18 and the sealing surface 10 of the insert 2, which forms a further component surface.
  • the actuator 4 has in the exemplary embodiment a circular disk-shaped outer contour, which closes at least the flow cross-section 11 in the closed position of the valve 6 to the throttle gap 12.
  • the actuator 4 may consist of one or more individual components, which are made in part of one or more low-density materials, such as light metal, metal foam, plastic foam, fiber-reinforced plastic.
  • the insert 2 may consist of several individual components.
  • FIGS. 5 to 7 illustrate the special design of the throttle gap seal with reference to three basic embodiments in order to achieve the self-centering of the insert 2 on the actuator 4:
  • the self-centering of the insert 2 on the actuator 4 by applying the sealing surface 8 of the actuator 4 takes place on the sealing surface 10 of the insert part 2, wherein the sealing surface 8 of the actuator 4 is provided with a coating 19. This closes or reduces the throttle gap at least in the assembled state and wears off at least partially in later operation on the opposite, wear-resistant sealing surface 10.
  • FIG. 6 differs from that of Figure 5 only in that instead of the coating 19 of the actuator 4, a coating 20 of the insert 2 is provided which closes or reduces the throttle gap at least in the assembled state and in later operation the valve at the opposite, wear-resistant sealing surface 8 of the actuator 4 at least partially ablates.
  • Figure 7 illustrates an embodiment in which the throttle sealing gap 12 results by automatically recurring the alignment of the insert 2 on the actuator 4 in the rest-closed position 6. This is achieved, for example, by a decreasing throttle gap height 21 in the direction of the rest-closed position 6.
  • the insert 2 closes movable, but medium-tight over two seals 3 to the housing 1 and it are the sealing surfaces 8 and 10 provided with a wear-resistant surface coating.
  • the insert 2 is elastically fixed in the housing 1.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drosselspaltdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Ventile, die den Durchfluss von gasförmigen Medien in Verbrennungsmotoren zyklisch (d.h. pro Arbeitsspiel) steuern und im geschlossenen Zustand sehr geringe Leckraten aufzeigen.
  • Die Verwendung der Ventile zur Gaswechselsteuerung in Verbrennungsmotoren stellt folgende Anforderungen an das Ventil:
    1. 1. Thermodynamisch erforderliche sehr geringe Leckagen im geschlossenen Zustand des Ventils können nur mit Dichtspalthöhen zwischen Stellglied und Gehäuse in der Größenordnung von einigen 1/100 mm unterboten werden.
    2. 2. Das Ventil muss in sehr kleinen Zeitintervallen, die in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegen öffnen bzw. schließen können.
    3. 3. Wegen der hohen Beschleunigungen des Stellglieds bedingt durch kurze Schaltzeiten, muß das Stellglied geringe Masse bzw. Trägheitsmomente besitzen, aber bezüglich der Erhaltung der Dichtspaltgeometrie Formsteifigkeit aufweisen.
    4. 4. Das Ventil muss eine Lebensdauer von bis zu 100 Millionen Schaltspielen bewältigen können
    5. 5. Die Durchflusscharakteristik des Ventils, d.h. auch die Leckage im geschlossenen Zustand darf sich über die Lebensdauer nicht signifikant verändern.
    6. 6. Das Ventil muss in einem weiten Temperaturbereich, (frischluftseitig ca. - 30°C bis ca. 120°C), (abgasseitig ca. -30°C bis ca. 1000°C) funktionsfähig bleiben und konstante Leckage aufweisen.
    7. 7. Das Ventil muss eine annähernd konstante Dichtspalthöhe auch unter hohen zeitlichen Temperaturgradienten des zu steuernden Mediumsflusses behalten, da signifikante Veränderungen der Dichtspalthöhe im geschlossenen Zustand des Ventils entweder stark zunehmende Leckage oder zunehmende Reibung und Verschleiß der Dichtspalt bildende Bauteile zur Folge haben.
    8. 8. Die Reibung im Dichtsystem des Ventils muss unter allen Betriebsbedingungen annähernd konstant bleiben, um Wärmeeintrag in das zu steuernde Medium zu minimieren und den Leistungsaufwand zum Antrieb des Ventils auf einem niedrigen Niveau zu halten.
    9. 9. Mechanische Schaltgeräusche beim Öffnen und Schließen des Ventils sind unerwünscht.
  • Diese o.g. Anforderungen können bekannte Ventilkonstruktionen nicht vollends erfüllen, da diese je nach Bauart, entweder über Anlagedichtungen oder nicht einstellbare Spaltdichtungen verfügen und Bauart spezifisch mit folgenden konstruktiven Nachteilen behaftet sind:
  • Nachteile von Ventilen mit senkrecht auf die Anlagedichtungen bewegtem Stellglied:
    • Die Bewegung des Stellglieds in die Schließposition gegen die Anlagedichtung ist Anschlag behaftet
    • Der Anschlag verursacht Geräusche, Reibung und Verschleiß an der Anlagedichtung und an dem Stellglied
    • Der Anschlag erfordert eine sehr präzise Wegeregelung des Stellglieds in seine Schließposition
    • Wenn die Drehachse des Stellglieds den Strömungsquerschnitt schneidet, ist die Anlagedichtung zum Stellglied zwangsläufig unterbrochen (erhöhte Leckage)
    • Die Leckage am Ventil ist wegen der Asymmetrie der Anlagedichtung druckrichtungsabhängig
    • Die Leckage ist abhängig vom Verschleiß der Anlagedichtung
    • Die Anlagedichtung stellt durch deren Hineinragen in den Strömungsquerschnitt einen erhöhten hydraulischen Strömungswiderstand dar
    • Die Einbringung der Anlagedichtung in das Gehäuse stellt einen erheblichen Montageaufwand mit hoher Empfindlichkeit bezüglich der Leckage dar
  • Nachteile von Ventilen mit tangential auf die Anlagedichtungen bewegtem Stellglied:
    • Die kontinuierliche Berührung der Anlagedichtung und des Stellglieds verursacht Reibung, Verschleiß und verschleißabhängige Leckage
    • Wegen der Reibung ist eine höhere Antriebsleistung am Stellglied erforderlich und der Wärmeeintrag in das Ventil und das Medium erhöht sich
    • Die Leckage am Ventil ist wegen der Asymmetrie der Anlagedichtung druckrichtungsabhängig
    • Die Einbringung der Anlagedichtung in das Gehäuse stellt einen erheblichen Montageaufwand mit hoher Empfindlichkeit bezüglich der Leckage dar
  • Nachteile von Ventilen mit nicht einstellbaren Spaltdichtungen:
    • Fertigungsbedingte Toleranzen bezüglich der Position des Stellglieds zum Gehäuse verursachen nicht korrigierbare Abweichungen von der idealen Spaltgeometrie
    • Abweichungen von der idealen Spaltgeometrie verursachen große Unterschiede in der Leckage.
    • Nicht einstellbare Abstände der Dichtflächen zwischen Stellglied und Gehäuse können bei deren Berührung Reibung, Klemmneigung und Verschleiß verursachen.
  • Eine Drosselspaltdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP 10 103089 A bekannt. Zur Verkürzung der Baulänge des Ventils ist dort das Gehäuse mit einer seitlichen Ausnehmung versehen, in die das Einlegeteil dichtend eingesteckt werden kann. Mittels einer Schraube sind das Einlegeteil und das Gehäuse verbindbar, sodass das Einlegeteil in seiner in das Gehäuse eingesetzten Stellung fest mit diesem verbunden ist. Das Stellglied des Ventils ist als Drosselklappe ausgebildet, die starr in einer Lagerwelle für die Drosselklappe gehalten ist. Die Lagerwelle selbst ist nicht einstellbar in dem Einlegeteil gelagert.
  • Vor dem Hintergrund der beschriebenen Anforderung an das Ventil und die Nachteile bekannter Ventile schlägt die Erfindung eine Drosselspaltdichtung gemäß der Merkmale des Anspruches 1 vor.
  • Die erfindungsgemäße Drosselspaltdichtung weist somit ein Einlegeteil auf, das im Gehäuse aufgenommen wird. Dieses ist zum Gehäuse mit mindestens einer Dichtung abgedichtet. Das Einlegeteil umfasst den Strömungsquerschnitt des Gehäuses und lässt sich vorzugsweise, im geschlossenen Zustand des Ventils, mit seiner dem Stellglied des Ventils zugewandten Dichtfläche auf die Position des Stellgliedes mit dessen dem Einlegeteil zugewandter Dichtfläche zumindest einmalig im Gehäuse ausrichten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtfläche des Einlegeteils und die Dichtfläche des Stellgliedes ohne kontinuierliche Krafteinwirkung aufeinander in der geschlossenen Position des Ventils gegenüberliegen. Einlegeteil und Stellglied liegen somit kräftefrei gegenüber.
  • Vorzugsweise nimmt das Stellglied seine Ruhe-Schließposition ohne Anschlag gegen das Einlegeteil und Gehäuse ein. Durch den Verzicht auf einen Anschlag lassen sich extreme Beschleunigungsspitzen der bewegten Teile vermeiden.
  • Es wird bei der Drosselspaltdichtung ferner als vorteilhaft angesehen, wenn die Dichtfläche des Stellglieds bei Veränderung des Strömungsquerschnitts des Ventils bezüglich der Dichtfläche des Einlegeteils eine beliebige Bewegungsbahn ausführt, wobei die Bewegungsbahn der Dichtfläche des Stellgliedes um die Ruhe-Schließposition des Stellgliedes eine tangentiale Richtung gegenüber der Dichtfläche des Einlegeteils beinhaltet. Diese Bewegungsbahn kann zum Beispiel oszillierend und/oder rotierend, linear, kreisförmig, elliptisch, parabolisch usw. sein. Es vollzieht während des Bewegungsvorgangs des Stellgliedes der Masseschwerpunkt des Stellgliedes relativ zum Masseschwerpunkt des Einlegeteils eine beliebige Kurvenbahn, zum Beispiel eine Drehbewegung, eine Linearverschiebung, eine Kombination beider Bewegungsformen oder gar keine Bewegung.
  • Die Dichtung übernimmt vorzugsweise neben der Mediumsabdichtung zusätzliche Funktionen, wie die thermische Isolation zwischen Gehäuse und Einlegeteil und/oder die Befestigung des Einlegeteils im Gehäuse. Dieser Fall der thermischen Isolation betrifft insbesondere den statischen Aspekt. Die thermische Isolation zwischen Gehäuse und Einlegeteil stellt insbesondere für den Fall, dass das Ventil im Bereich eines Zylinderkopfes angeordnet ist, sicher, dass sich die Aufheizung des Gehäuses nicht auf das Einlegeteil überträgt, und damit einen hohen Temperaturunterschied zwischen Stellglied und Einlegeteil verursacht.
  • Unter dynamischem Aspekt ist es von Vorteil, wenn das Stellglied und das Einlegeteil einen ähnlichen Quotienten von Medium umspülten Bauteiloberflächen/Wärmekapazität des Bauteils besitzen, um ein ähnliches Zeitverhalten bezüglich der thermischen Dehnung der Bauteile zu erreichen. Diese Ausbildung von Stellglied und Einlegeteil berücksichtigt insbesondere Einwirkungen infolge starker Ansauglufterwärmung bei aufgeladenen Motoren.
  • Unter dem Aspekt, dass das Ventil im Millisekundenbereich schalten soll, kommt der Ausbildung des bewegten Stellgliedes mit geringer Masse besondere Bedeutung zu. So wird vorgeschlagen, dass das Stellglied aus einem oder mehreren Einzelbauteilen besteht, die zum Teil aus einem oder mehreren Materialien geringer Dichte, wie zum Beispiel Leichtmetall, Metallschaum, Kunststoffschaum, faserverstärktem Kunststoff hergestellt sind.
  • Unter dem Aspekt der einmaligen Ausrichtmöglichkeit, sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Drosseldichtspalt zwischen Stellglied und Einlegeteil durch Positionieren des Einlegeteils in der Ebene oder zusätzlich senkrecht zur Ebene einstellbar ist. Diese Positionierung kann durch mechanisches (zum Beispiel Abstandslehre), optisches (zum Beispiel Lichtspaltvermessung) oder hydraulisches (zum Beispiel Spaltdurchströmung) kalibrieren des Drosseldichtspaltes vorgenommen werden. Die Kalibrierung des Drosseldichtspaltes kann ferner durch Selbstzentrierung des Einlegeteils auf das Stellglied erfolgen. Dies geschieht vorzugsweise durch Anlegen der Dichtfläche des Ventils auf die Dichtfläche des Einlegeteils, wobei eine dieser Flächen mit einer dicken Beschichtung versehen ist, die den Drosselspalt im Montagezustand zumindest teilweise schließt und die sich im späteren Betrieb des Ventils an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche abträgt.
  • Für den Fall des mehrmaligen, d.h. bei jedem Öffnungs- bzw. Schließvorgang des Stellglieds erfolgenden Ausrichten des Einlegeteils im Gehäuse ergibt sich der Drosseldichtspalt durch selbsttätiges Wiederkehren des Ausrichtens des Einlegeteils auf das Stellglied in der Ruhe-Schließposition. Dies wird zum Beispiel durch eine kleiner werdende Drosselspalthöhe in Richtung der Ruhe-Schließposition erreicht. Das Einlegeteil schließt beweglich, aber mediumsdicht über Dichtungen zum Gehäuse ab und es sind die Dichtflächen von Einlegeteil und Stellglied mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung versehen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
  • Die Erfüllung der o.g. Anforderungen 1-9 an Ventile zur Gaswechselsteuerung bei Verbrennungsmotoren wird durch die einstellbare, enge Drosselspaltdichtung erreicht. Die konstruktiven Eigenschaften der Drosselspaltdichtung werden den Anforderungen 1-9 nachfolgend gegenüber gestellt:
    • Das Dichtungssystem eines solchen Ventils muß berührungslos dichten. Damit wird verschleißfreier Betrieb des Dichtsystems möglich und die Anforderungen 4/5/8/9 werden erfüllt. Ein berührungsloses Dichtsystem ist durch einen Drosseldichtspalt zu erreichen.
    • Der Drosseldichtspalt muß bezüglich seiner Spalthöhe und Spaltlage wegen fertigungsbedingter Toleranzen der den Drosseldichtspalt beeinflußenden Bauteile einstellbar sein. Die Einstellbarkeit gewährleistet die Erfüllung der Anforderung 1.
    • Die zu beschleunigenden Massen in dem Ventil müssen, um die Anforderungen 2/3 zu erfüllen, so niedrig wie möglich gehalten werden. Aus diesem Grund ist die Vorrichtung zur Einstellbarkeit des Drosselspaltes in die unbewegten Bauteile des Ventils zu legen.
    • Das Dichtsystem muß, um den Anforderungen 6/7 zu genügen, in einem weiten Temperaturbereich funktionsfähig bleiben. Dies wird durch eine Temperatur unabhängige Drosselspalthöhe und ein ähnliches Temperatur-Zeit-Verhalten der den Drosseldichtspalt bildenden Bauteile erreicht.
  • Weitere Details der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben und näher erläutert. In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt:
    • Figur 1
    einen Halbschnitt des Ventils in Strömungsebene, beispielhaft mit einem kreisrunden, drehbaren, rotationssymmetrischen Stellglied ausgestattet,
    Figur 2
    einen Vergrößerungsausschnitt aus Figur 1,
    Figur 3
    eine Draufsicht des Ventiles nach den Figuren 1 und 2, gezeigt bei geschlossenem Ventil und gesehen in Strömungsrichtung,
    Figur 4
    einen Halbschnitt des in Figuren 1 bis 3 gezeigten Ventils in Strömungsebene, mit Darstellung der strömungsmechanisch relevanten Position des Stellglieds,
    Figur 5
    bei dem in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ventil die abtragbare Beschichtung der Dichtfläche des Stellgliedes, womit die Selbstzentrierung des Einlegeteils auf das Stellglied erreicht wird,
    Bild 6
    bei dem in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ventil die abtragbare Beschichtung der Dichtfläche des Einlegeteils, womit die Selbstzentrierung des Einlegeteils auf das Stellglied erreicht wird,
    Bild 7
    für das in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Ventil die wiederholbare Selbstzentrierung des Einlegeteils auf das Stellglied über eine kleiner werdende Drosselspalthöhe nahe der RuheSchließposition
  • Das in Figur 1 veranschaulichte Ventil 16 besitzt ein Gehäuse 1 zum Führen des gasförmigen Mediums im Ventil 16. Im Gehäuse 1 ist ein beweglich antreibbares, um die Drehachse 24 schwenkbares Stellglied 4 zum Verändern des korrespondierenden Strömungsquerschnitts 11 im Ventil vorgesehen. Im Gehäuse 1 ist ein Einlegeteil 2 aufgenommen. Dieses ist zum Gehäuse 1 mit einer Dichtung 3 abgedichtet. Wie insbesondere der Darstellung der Figur 3 zu entnehmen ist, umfasst das Einlegeteil 2 den Strömungsquerschnitt 11 des Gehäuses 1.
  • In der Figur 1 ist das Stellglied 4 in seiner Schließstellung gezeigt. Das Einlegeteil 2 lässt sich im geschlossenen Zustand 6 des Ventils in seiner dem Stellglied 4 zugewandten Dichtfläche 10, wie es insbesondere in Figur 2 veranschaulicht ist, auf die Position des Stellglieds 4 mit dessen dem Einlegeteil 2 zugewandter Dichtfläche 8 zumindest einmalig im Gehäuse ausrichten und bildet einen Drosselspalt 12. Die Dichtfläche 10 des Einlegeteils 2 und die Dichtfläche 8 des Stellglieds 4 liegen, ohne kontinuierliche Krafteinwirkung aufeinander, in der geschlossenen Position 6 des Ventils gegenüber. Das Stellglied 4 nimmt seine Schließposition 6 ohne Anschlag gegen das Einlegeteil 2 und Gehäuse 1 ein.
  • Die Dichtfläche 8 des Stellglieds 4 führt bei Veränderung des Strömungsquerschnitts 11 des Ventils bezüglich der Dichtfläche 10 eine kreisförmige Bewegungsbahn 9 aus. Die Bewegungsbahn der Dichtfläche 8 um die Ruhe-Schließposition 6 des Stellgliedes 4 beinhaltet eine tangentiale Richtung 7 gegenüber der Dichtfläche 10.
  • Die Längsmittelachse des Gehäuses 1 ist mit der Bezugsziffer 14, die senkrecht zum Drosseldichtspalt 12 angeordnete Ebene mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet. In der Ruhestellung befindet sich das Stellglied 4 symmetrisch zur Ebene 15. Mit der Bezugsziffer 5 ist die geöffnete, somit um 90° geschwenkte Position des Stellgliedes 4 bezeichnet. In Figur 4 ist mit der Bezugsziffer 13 eine Position des Stellgliedes 4 bei Freigabe bzw. Schließen des Strömungsquerschnitts 11 veranschaulicht. Der Drosseldichtspalt 12 ist während des Schließvorganges des Ventils schon vor Erreichen der Ruhe-Schließposition 6 des Stellgliedes 4 ab dieser Position 13 vorhanden, womit dem Stellglied beim Verschließen des Strömungsquerschnitts 11 eine Bewegungsgeschwindigkeit größer Null auferlegt wird. Der Drosseldichtspalt 12 bleibt während des Öffnungsvorganges des Ventils für einen Teilabschnitt der einsetzenden Bewegung des Stellglieds 4 aus dessen Ruhe-Schließposition 6 heraus bis zu dessen Position 13 erhalten, womit das Stellglied 4 bei beginnender Freigabe des Strömungsquerschnitts 11 eine Bewegungsgeschwindigkeit größer Null auferlegt wird.
  • Das Stellglied 4 und das Einlegeteil 2 besteht aus einem Material mit ähnlichem Wärmedehnungskoeffizienten. Die Dichtung 3 übernimmt, neben der Mediumsabdichtung, zusätzliche Funktionen, insbesondere die thermische Isolation zwischen Gehäuse 1 und Einlegeteil 2 und/oder die Befestigung des Einlegeteils 2 im Gehäuse 1. Das Stellglied 4 und das Einlegeteil 2 besitzen einen ähnlichen Koeffizienten von Medium umspülter Bauteiloberflächen/Wärmekapazität des Bauteils, um ein ähnliches Zeitverhalten bezüglich der thermischen Dehnung der Bauteile zu erreichen. Bei dem Stellglied 4 handelt es sich um die Bauteiloberflächen 22 und 23 sowie die durch die Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 gebildete Bauteiloberfläche, und beim Einlegeteil 2 um die Bauteiloberflächen 17 und 18 sowie die Dichtfläche 10 des Einlegeteils 2, die eine weitere Bauteiloberfläche bildet.
  • Das Stellglied 4 besitzt im Ausführungsbeispiel eine kreisscheibenförmige Außenkontur, die mindestens den Strömungsquerschnitt 11 in der geschlossenen Position des Ventils 6 bis auf den Drosselspalt 12 verschließt. Grundsätzlich kann das Stellglied 4 aus einem oder mehreren Einzelbauteilen bestehen, die zum Teil aus einem oder mehreren Materialien geringer Dichte, wie zum Beispiel Leichtmetall, Metallschaum, Kunststoffschaum, faserverstärktem Kunststoff hergestellt sind. Auch das Einlegeteil 2 kann aus mehreren Einzelbauteilen bestehen.
  • Die Figuren 5 bis 7 verdeutlichen die besondere Gestaltung der Drosselspaltdichtung anhand dreier grundsätzlicher Ausführungsformen, um die Selbstzentrierung des Einlegeteils 2 auf das Stellglied 4 zu erreichen:
  • Bei der Ausführungsform nach der Figur 5 erfolgt die Selbstzentrierung des Einlegeteils 2 auf das Stellglied 4 durch Anlegen der Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 auf die Dichtfläche 10 des Einlegeteiles 2, wobei die Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 mit einer Beschichtung 19 versehen ist. Diese schließt bzw. verkleinert den Drosselspalt zumindest im Montagezustand und trägt sich im späteren Betrieb an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche 10 zumindest teilweise ab.
  • Die Ausführungsform nach der Figur 6 unterscheidet sich von derjenigen nach der Figur 5 nur dadurch, dass statt der Beschichtung 19 des Stellgliedes 4 eine Beschichtung 20 des Einlegeteils 2 vorgesehen ist, die den Drosselspalt zumindest im Montagezustand schließt bzw. verkleinert und die sich im späteren Betrieb des Ventils an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche 8 des Stellgliedes 4 zumindest teilweise abträgt.
  • Figur 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Drosseldichtspalt 12 sich durch selbsttätiges Wiederkehren des Ausrichten des Einlegeteils 2 auf das Stellglied 4 in der Ruhe-Schließposition 6 ergibt. Dies wird zum Beispiel durch eine kleiner werdende Drosselspalthöhe 21 in Richtung der Ruhe-Schließposition 6 erreicht. Das Einlegeteil 2 schließt beweglich, aber mediumsdicht über zwei Dichtungen 3 zum Gehäuse 1 ab und es sind die Dichtflächen 8 und 10 mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung versehen. Bei dieser Ausführungsform ist das Einlegeteil 2 elastisch im Gehäuse 1 befestigt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gehäuse
    2
    Einlegeteil
    3
    Dichtung
    4
    Stellglied
    5
    Position
    6
    geschlossener Zustand des Ventils
    7
    tangentiale Richtung
    8
    Dichtfläche Stellglied
    9
    Bewegungsbahn
    10
    Dichtfläche Einlegeteil
    11
    Strömungsquerschnitt
    12
    Drosseldichtspalt
    13
    Position
    14
    Längsmittelachse
    15
    Ebene quer zur Längsmittelachse
    16
    Ventil
    17
    Bauteiloberfläche
    18
    Bauteiloberfläche
    19
    Beschichtung
    20
    Beschichtung
    21
    Drosselspalthöhe
    22
    Bauteiloberfläche
    23
    Bauteiloberfläche
    24
    Drehachse

Claims (13)

  1. Drosselspaltdichtung zur Minimierung der Leckage von den Durchfluß gasförmiger Medien steuernden zyklisch schaltenden Ventilen an Verbrennungsmotoren, mit mindestens einem beweglich antreibbaren Stellglied (4) zum Verändern des korrespondierenden Strömungsquerschnitts (11) im Ventil, mindestens einem Einlegeteil (2) und mindestens einem die Führung des gasförmigen Mediums im Ventil übernehmenden Gehäuse (1), wobei das Einlegeteil (2) im Gehäuse (1) aufgenommen wird, das Einlegeteil (2) zum Gehäuse (1) mit mindestens einer Dichtung (3) abgedichtet ist, das Einlegeteil (2) den Strömungsquerschnitt (11) des Gehäuses (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (2), innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet, im geschlossenen Zustand (6) des Ventils, mit seiner dem Stellglied (4) zugewandten Dichtfläche (10) einen auf die Position der Dichtfläche (8) des Stellglieds (4) in seiner Spalthöhe und Spaltlage einstellbaren Drosseldichtspalt (12) bildet.
  2. Drosselspaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (2) im geschlossenen Zustand (6) des Ventils sich mit seiner dem Stellglied (4) zugewandten Dichtfläche (10) auf die Position des Stellglieds (4) mit dessen dem Einlegeteil (2) zugewandter Dichtfläche (8) zumindest einmalig im Gehäuse ausrichten lässt.
  3. Drosselspaltdichtung nach Anspruch 1 oder 2, das die Dichtfläche (8) des Stellglieds (4) bei Veränderung des Strömungsquerschnitts (11) des Ventils bezüglich der Dichtfläche (10) des Einlegerings (2) eine beliebige Bewegungsbahn (9) ausführt, wobei die Bewegungsbahn der Dichtfläche (8) des Stellgliedes (4) um die Ruhe-Schließposition (6) eine tangentiale Richtung (7) gegenüber der Dichtfläche (10) des Einlegeteils (2) beinhaltet.
  4. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (3) neben der Mediumsabdichtung zusätzliche Funktionen übernimmt, insbesondere die thermische Isolation zwischen Gehäuse (1) und Einlegeteil (2) und /oder die Befestigung des Einlegeteils (2) im Gehäuse (1).
  5. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das der Drosseldichtspalt (12) während des Öffnungsvorgangs des Ventils einen Teilabschnitt der einsetzenden Bewegung des Stellglieds (4) aus dessen Ruhe-Schließposition (6) heraus bis zu einer Position (13), in der der Strömungsquerschnitt (11) freigegeben wird, erhalten bleibt, womit dem Stellglied (4) bei beginnender Freigabe des Strömungsquerschnitts (11) eine Bewegungsgeschwindigkeit größer Null auferlegt wird.
  6. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (4) eine beliebige dreidimensionale Außenkontur besitzt, welche mindestens den Strömungsquerschnitt (11) in der geschlossenen Position des Ventils (6) bis auf den Drosselspalt (12) verschließt.
  7. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (2) aus mehreren Einzelbauteilen besteht.
  8. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung von Einlegeteil (2) und Stellglied (4) zur Bildung des Drosseldichtspaltes (12) durch Selbstzentrierung beider Bauteile zueinander erfolgt.
  9. Drosselspaltdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Selbstzentrierung des Einlegeteils (2) auf das Stellglied (4), eine der Dichtflächen (8 bzw. 10) mit einer Beschichtung (19 bzw. 20), insbesondere einer gleichmäßig dicken Beschichtung versehen ist, die die Spalthöhe des Drosseldichtspaltes (12) zumindest im Montagezustand verkleinert oder schließt und die sich im späteren Betrieb des Ventils an der gegenüberliegenden, verschleißfesten Dichtfläche (10 bzw. 8) zumindest teilweise abträgt.
  10. Drosselspaltdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der abtragbaren Beschichtung (19) auf die Fläche (8) des Stellglieds (4) in Anwesenheit des Einlegerings (2) zwischen die Flächen (8, 10) von Stellglied (8) und Einlegeteil (2) erfolgt.
  11. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosseldichtspalt (12) sich durch selbsttätiges wiederkehrendes Ausrichten des Einlegeteils (2) auf das Stellglieds (4) in der Ruhe-Schließposition (6) ergibt.
  12. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil beweglich, aber mediumsdicht über Dichtungen (3) zum Gehäuse (1) abschließt und die Dichtflächen (8, 10) vom Stellglied (4) und Einlegeteil (2) mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung versehen sind.
  13. Drosselspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung bzw. Lagerung des Stellglieds (4) im Gehäuse (1) und/oder im Einlegeteil (2) und/oder in weiteren Bauteilen des Ventils beherbergt ist.
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