EP1498596B1 - Throttle slit seal for valves - 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
- European Patent Office
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- throttle
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Classifications
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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.
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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.The invention relates to a throttle gap seal according to the preamble of
Die Verwendung der Ventile zur Gaswechselsteuerung in Verbrennungsmotoren stellt folgende Anforderungen an das Ventil:
- 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. Das Ventil muss in sehr kleinen Zeitintervallen, die in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegen öffnen bzw. schließen können.
- 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. Das Ventil muss eine Lebensdauer von bis zu 100 Millionen Schaltspielen bewältigen können
- 5. Die Durchflusscharakteristik des Ventils, d.h. auch die Leckage im geschlossenen Zustand darf sich über die Lebensdauer nicht signifikant verändern.
- 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. 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. 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. Mechanische Schaltgeräusche beim Öffnen und Schließen des Ventils sind unerwünscht.
- 1. Thermodynamically required very small leaks in the closed state of the valve can only be undercut with sealing gap heights between actuator and housing in the order of a few 1/100 mm.
- 2. The valve must be able to open or close in very small time intervals, which are on the order of a few milliseconds.
- 3. Due to the high accelerations of the actuator due to short switching times, the actuator must have low mass or moments of inertia, but have with respect to the preservation of the sealing gap geometry stiffness.
- 4. The valve must be able to handle a lifetime of up to 100 million operations
- 5. The flow characteristics of the valve, ie the leakage in the closed state must not change significantly over the lifetime.
- 6. The valve must remain functional over a wide temperature range (fresh air side approx. - 30 ° C to approx. 120 ° C), (exhaust gas approx. -30 ° C to approx. 1000 ° C) and show constant leakage.
- 7. The valve must maintain an approximately constant sealing gap height even under high temporal temperature gradients of the medium flow to be controlled, since significant changes in the sealing gap height in the closed state of the valve either greatly increasing leakage or increasing friction and wear of the sealing gap forming components result.
- 8. The friction in the sealing system of the valve must remain approximately constant under all operating conditions in order to minimize heat input into the medium to be controlled and to keep the power required to drive the valve at a low level.
- 9. Mechanical switching noises when opening and closing the valve are undesirable.
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:This o.g. Requirements can not fully meet known valve designs, as these have depending on the design, either plant seals or non-adjustable gap seals and design are specifically associated with the following constructive disadvantages:
Nachteile von Ventilen mit senkrecht auf die Anlagedichtungen bewegtem Stellglied:Disadvantages of valves with actuator moved perpendicular to the system seals:
- Die Bewegung des Stellglieds in die Schließposition gegen die Anlagedichtung ist Anschlag behaftetThe movement of the actuator in the closed position against the plant seal is affected attack
- Der Anschlag verursacht Geräusche, Reibung und Verschleiß an der Anlagedichtung und an dem StellgliedThe stopper causes noise, friction and wear on the plant seal and on the actuator
- Der Anschlag erfordert eine sehr präzise Wegeregelung des Stellglieds in seine SchließpositionThe stop requires a very precise path control of the actuator in its closed position
- Wenn die Drehachse des Stellglieds den Strömungsquerschnitt schneidet, ist die Anlagedichtung zum Stellglied zwangsläufig unterbrochen (erhöhte Leckage)If the axis of rotation of the actuator intersects the flow cross-section, the plant seal to the actuator is necessarily interrupted (increased leakage)
- Die Leckage am Ventil ist wegen der Asymmetrie der Anlagedichtung druckrichtungsabhängigThe leakage at the valve is pressure-direction-dependent because of the asymmetry of the system seal
- Die Leckage ist abhängig vom Verschleiß der AnlagedichtungThe leakage depends on the wear of the system seal
- Die Anlagedichtung stellt durch deren Hineinragen in den Strömungsquerschnitt einen erhöhten hydraulischen Strömungswiderstand darDue to their intrusion into the flow cross-section, the system seal represents an increased hydraulic flow resistance
- Die Einbringung der Anlagedichtung in das Gehäuse stellt einen erheblichen Montageaufwand mit hoher Empfindlichkeit bezüglich der Leckage darThe introduction of the system seal in the housing represents a considerable installation effort with high sensitivity to the leakage
Nachteile von Ventilen mit tangential auf die Anlagedichtungen bewegtem Stellglied:Disadvantages of valves with tangentially moved to the plant seals actuator:
- Die kontinuierliche Berührung der Anlagedichtung und des Stellglieds verursacht Reibung, Verschleiß und verschleißabhängige LeckageThe continuous contact of the plant seal and the actuator causes friction, wear and wear-dependent leakage
- Wegen der Reibung ist eine höhere Antriebsleistung am Stellglied erforderlich und der Wärmeeintrag in das Ventil und das Medium erhöht sichBecause of the friction, a higher drive power is required on the actuator and the heat input into the valve and the medium increases
- Die Leckage am Ventil ist wegen der Asymmetrie der Anlagedichtung druckrichtungsabhängigThe leakage at the valve is pressure-direction-dependent because of the asymmetry of the system seal
- Die Einbringung der Anlagedichtung in das Gehäuse stellt einen erheblichen Montageaufwand mit hoher Empfindlichkeit bezüglich der Leckage darThe introduction of the system seal in the housing represents a considerable installation effort with high sensitivity to the leakage
Nachteile von Ventilen mit nicht einstellbaren Spaltdichtungen:Disadvantages of valves with non-adjustable gap seals:
- Fertigungsbedingte Toleranzen bezüglich der Position des Stellglieds zum Gehäuse verursachen nicht korrigierbare Abweichungen von der idealen SpaltgeometrieManufacturing tolerances with respect to the position of the actuator to the housing cause non-correctable deviations from the ideal gap geometry
- Abweichungen von der idealen Spaltgeometrie verursachen große Unterschiede in der Leckage.Deviations from the ideal gap geometry cause large differences in leakage.
- Nicht einstellbare Abstände der Dichtflächen zwischen Stellglied und Gehäuse können bei deren Berührung Reibung, Klemmneigung und Verschleiß verursachen.Non-adjustable distances of the sealing surfaces between the actuator and housing can cause friction, clamping tendency and wear when touched.
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.A throttle gap seal according to the preamble of
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.Against the background of the described requirement on the valve and the disadvantages of known valves, the invention proposes a throttle gap seal according to the features of
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.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. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that 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.
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.Preferably, the actuator assumes its rest-closed position without a stop against the insert and housing. By eliminating a stop, extreme acceleration peaks of the moving parts can be avoided.
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.It is also considered advantageous in the throttle gap seal, when 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.
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.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.
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.From a dynamic point of view, it is advantageous if 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.
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.From the aspect that the valve should switch in the millisecond range, the formation of the moving actuator with low mass is of particular importance. Thus, it is proposed that 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.
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.From the aspect of the unique alignment possibility, 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.
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.In the case of the repeated, ie taking place during each opening or closing operation of the actuator aligning the insert in the housing results 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.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the other dependent claims.
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.
- The sealing system of such a valve must seal non-contact. Thus, wear-free operation of the sealing system is possible and the
requirements 4/5/8/9 are met. A non-contact sealing system can be achieved through a throttle sealing gap. - The throttle sealing gap must be adjustable with respect to its gap height and gap position due to manufacturing tolerances of the throttle sealing gap affecting components. Adjustability ensures fulfillment of
requirement 1. - The masses to be accelerated in the valve must be kept as low as possible to meet
requirements 2/3. For this reason, the device is to adjust the adjustability of the throttle gap in the stationary components of the valve. - The sealing system must remain functional over a wide temperature range to meet
requirements 6/7. This is achieved by a temperature independent throttle gap height and a similar temperature-time behavior of the throttle sealing gap forming components.
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 1bis 3 gezeigten Ventils in Strömungsebene, mit Darstellung der strömungsmechanisch relevanten Position des Stellglieds, Figur 5- bei dem in
den Figuren 1bis 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 1bis 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 1bis 4 gezeigte Ventil die wiederholbare Selbstzentrierung des Einlegeteils auf das Stellglied über eine kleiner werdende Drosselspalthöhe nahe der RuheSchließposition
- FIG. 1
- a half-section of the valve in the flow plane, for example equipped with a circular, rotatable, rotationally symmetrical actuator,
- FIG. 2
- a magnifying section of Figure 1,
- FIG. 3
- a top view of the valve according to Figures 1 and 2, shown with the valve closed and seen in the flow direction,
- FIG. 4
- 3 shows a half section of the valve shown in FIGS. 1 to 3 in the plane of flow, showing the fluidically relevant position of the actuator;
- FIG. 5
- in the valve shown in Figures 1 to 4, the abradable coating of the sealing surface of the actuator, whereby the self-centering of the insert is achieved on the actuator,
-
Picture 6 - in the valve shown in Figures 1 to 4, the abradable coating of the sealing surface of the insert, whereby the self-centering of the insert is achieved on the actuator,
- Picture 7
- for the valve shown in Figures 1 to 4, the repeatable self-centering of the insert onto the actuator over a decreasing throat height near the quiescent closure position
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.The illustrated in Figure 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.In the figure 1, the
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.The sealing
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.The longitudinal center axis of the
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.The
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.The
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: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
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.In the embodiment of Figure 5, the self-centering of the
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.The embodiment of Figure 6 differs from that of Figure 5 only in that instead of the
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.Figure 7 illustrates an embodiment in which the
- 11
- Gehäusecasing
- 22
- Einlegeteilinsert
- 33
- Dichtungpoetry
- 44
- Stellgliedactuator
- 55
- Positionposition
- 66
- geschlossener Zustand des Ventilsclosed state of the valve
- 77
- tangentiale Richtungtangential direction
- 88th
- Dichtfläche StellgliedSealing surface actuator
- 99
- Bewegungsbahntrajectory
- 1010
- Dichtfläche EinlegeteilSealing surface insert
- 1111
- StrömungsquerschnittFlow area
- 1212
- DrosseldichtspaltThrottling sealing gap
- 1313
- Positionposition
- 1414
- LängsmittelachseLongitudinal central axis
- 1515
- Ebene quer zur LängsmittelachsePlane transverse to the longitudinal central axis
- 1616
- VentilValve
- 1717
- Bauteiloberflächecomponent surface
- 1818
- Bauteiloberflächecomponent surface
- 1919
- Beschichtungcoating
- 2020
- Beschichtungcoating
- 2121
- DrosselspalthöheThrottle gap height
- 2222
- Bauteiloberflächecomponent surface
- 2323
- Bauteiloberflächecomponent surface
- 2424
- Drehachseaxis of rotation
Claims (13)
- Throttle gap seal for minimizing leakage in cyclically switching valves controlling the through flow of gaseous media on internal combustion engines, with at least one movably actuatable control element (4) for varying the corresponding flow cross-section (11) in the valve, and with at least one insert (2) and at least one casing (1) conducting the gaseous medium in the valve, wherein the insert (2) is seated in the casing (1), the insert (2) is sealed against the casing (1) with at least one seal (3), [and] the insert (2) surrounds the flow cross-section (11) of the casing (1), characterized in that, in the closed condition (6) of the valve, the insert (2) arranged within the casing (1) forms with its sealing face (10) facing towards the control element (4) a throttle seal gap (12) adjustable in its magnitude and position to the position of the sealing face (8) of the control element (4).
- Throttle gap seal according to Claim 1, characterized in that in the closed condition (6) of the valve, the insert (2) can be positioned in the casing at least once by its sealing face (10) facing towards the control element (4) to the position of the control element (4) in terms of the latter's sealing face (8) facing towards the insert (2).
- Throttle gap seal according to Claim 1 or Claim 2, [characterized in that] the motion path (9) swept by the sealing face (8) of the control element (4) with respect to the sealing face (10) of the insert ring (2) upon variation in the flow cross-section (11) of the valve is any desired motion path that includes, about the idle/closed position (6), a tangential direction (7) with respect to the sealing face (10) of the insert (2).
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the seal (3) assumes additional functions besides sealing-off of medium, in particular thermal insulation between casing (1) and insert (2) and/or fixing of the insert (2) in the casing (1).
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that during the opening of the valve the throttle seal gap (12) stays the same [for] an initial portion of the movement of the control element (4) from its idle/closed position (6) to a position (13) in which the flow cross-section (11) is unblocked, a greater-than-zero movement velocity being imparted to the control element (4) at the onset of the unblocking of the flow cross-section (11).
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the control element (4) possesses any desired three-dimensional outer contour that in the closed position of the valve (6), closes off at least the flow cross-section (11), disregarding the throttle gap (12).
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the insert (2) consists of a number of individual components.
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that positioning of insert (2) and control element (4) to form the throttle seal gap (12) is effected by self-centring of the two components to one another.
- Throttle gap seal according to Claim 8, characterized in that for the purpose of self-centring the insert (2) on the control element (4), one of the sealing faces (8 or 10) is provided with a coating (19 or 20 respectively), in particular a coating of uniform thickness, which in the assembled condition at least reduces, or closes altogether, the throttle seal gap (12), and in subsequent operation of the valve is at least partly abraded by the opposing, wear-resistant sealing face (10 or 8 as the case may be).
- Throttle gap seal according to Claim 9, characterized in that the abradable coating (19) is applied to the face (8) of the control element (4) with the insert ring (2) present between the faces (8, 10) of control element [(4)] and insert (2) [sic].
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that the throttle seal gap (12) is formed by repetitive self-alignment of the insert (2) with the control element (4) in the idle/closed position (6).
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 11, characterized in that the insert is movably yet mediumtightly sealed with respect to the casing (1) by seals (3), and the sealing faces (8,10) of control element (4) and insert (2) are provided with a wear-resistant surface coating.
- Throttle gap seal according to any one of Claims 1 to 12, characterized in that the guide or mounting of the control element (4) is accommodated in the casing (1) and/or in the insert (2) and/or in other components of the valve.
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