Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappenventilanordnung gemäß den jeweiligen
Oberbegriffen der Ansprüche 1, 7 und 8.
Hintergrund der Erfindung
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Klappenventile werden herkömmlich zur Steuerung bzw. Regulierung des
Flussvolumens einer Flüssigkeit durch ein Rohrsystem verwendet. Ein typisches
Anwendungsgebiet ist die Autoindustrie, in der Klappenventile zur Steuerung des Luftflusses in
eine innere Verbrennungsmaschine verwendet werden.
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Eine Klappenventilanordnung und ein Verfahren zur Herstellung der selben sind in
der Druckschrift EP-A-0 482 272 enthalten, wobei das Ventilgehäuse in einem
Spritzgussverfahren in einem ersten Schritt in einer Form hergestellt wird, welche zwei
Formhälften besitzt. Danach wird in der selben Form mit den selben Formhälften die
Ventilklappe des Klappenventils und seine Welle mittels eines Spritzgussverfahrens
hergestellt, wobei das Ventilgehäuse als Formoberfläche für den Umfang der
Ventilklappe des Klappenventils Verwendung findet. Auf diese Weise wird zwischen dem
Gehäuse und der Ventilklappe ein im Wesentlichen perfekter Abdichtungskontakt
erreicht.
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Es ist ein allgemeines Ziel innerhalb der Automobilindustrie, die Effektivität, den
Auftritt und die Abgasausscheidungen von Kraftfahrzeugen zu verbessern sowie
Fahrzeuge zu schaffen, welche leicht zu fahren sind. Diesbezüglich war die Steuerung des
Luftflusses durch das Klappenventil in dem Lufteinzugssystem Gegenstand groß
angelegter Forschungsarbeiten.
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Typischerweise besteht ein Klappenventil aus einem im Allgemeinen zylindrischen
Gehäuse, innerhalb welchem eine im Allgemeinen kreisrunde Ventilklappe
schwenkbar angeordnet ist. Bei kleinen Ventilöffnungen ist die Änderungsrate der
Durchflussmenge durch das Ventil pro Grad der Ventilöffnung wesentlich größer als bei
großen Ventilöffnungen. Dies bedeutet, dass es bei kleinen Ventilöffnungen sehr
schwer ist, das durch das Klappenventil in das Lufteinsaugsystem einer
Verbrennungsanlage strömende Luftvolumen zu steuern. Mehrere Lösungen für dieses
Problem wurden vorgeschlagen, einschließlich einem Ausstatten der Ventilklappe mit
"Rucksäcken".
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Eine weitere bekannte Lösung ist in der Druckschrift US-A-4 712 768 beschrieben, in
welcher die Ventilklappe innerhalb eines Klappenventils gebildet ist, um zwei
diametrisch gegenüberliegende, im Allgemeinen halbkreisförmige Vorsprünge
einzuschließen, von denen sich einer in Richtung stromaufwärts und der andere in Richtung
stromabwärts des Flüssigkeitsstromes erstreckt. Die beiden Vorsprünge sind
zueinander antisymmetrisch ausgebildet und jeweils mit mehreren
Flüssigkeitsströmungsdurchgängen ausgestattet. Die Flüssigkeitsströmungsdurchgänge sind jeweils
angeordnet, um sich von dem Außenumfang der Ventilklappe zu dem inneren
Durchmesser des komplementären Vorsprungs zu erstrecken. Auf diese Weise wird der
anfängliche Fluss durch das Ventil bei einer ersten vorbestimmten Anzahl von
Drehungsgraden der Ventilklappe lediglich durch die Durchgänge stattfinden. Während diese
Anordnung die maximale Flüssigkeitsströmungssteuerung bei kleinen Betriebswinkeln
erleichtern soll, ist die Ventilklappe selber relativ kompliziert herzustellen.
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Eine weitere bekannte Lösung, wie in der Druckschrift US-A-5 374 031 offenbart ist,
ist es, die Einlassöffnung und die Auslassöffnung eines Klappenventils mit einer
angeformten Flusssteuerungsfläche vorzusehen, welche unmittelbar nahe dem
Ventilsitzring für die Ventilklappe angeordnet ist. Da die Ventilklappe von einer
geschlossenen Stellung in eine offene Stellung gedreht wird, sichern auf diese Weise die
angeformten Flusssteuerungsflächen, dass das durch das Ventil hindurchtretende
Luftvolumen über die ersten, ungefähr 10 bis 15º der Ventilöffnung begrenzt wird. Da
jedoch das Ventilgehäuse normalerweise aus Aluminium in Formen gegossen oder aus
Plastik geformt wird, ist es notwendig, derartige Flusssteuerungsflächen herzustellen,
nachdem das Ventilgehäuse geformt worden ist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klappenventilanordnung zu
schaffen, in welcher das Flussvolumen durch das Ventil bei kleinen Ventilöffnungen
geeignet gesteuert wird und deren Ventilanordnung es selbst mehr für
Massenproduktionstechniken geeignet macht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine
Klappenventilanordnung gemäß einem der Ansprüche 1, 7 oder 8 gelöst.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Öffnung, in welcher die angeformte
Flusssteuerungsfläche angeordnet ist, separat von dem Rest des Ventilgehäuses
hergestellt wird, kann die Öffnung bzw. der Durchgang mittels eines Spritzgussverfahrens
oder eines Druckgussverfahren hergestellt werden, um so direkt die
Flusssteuerungsfläche ohne die Notwendigkeit nachfolgender maschineller Bearbeitungsschritte
zu erreichen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen
abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden beispielhaft detaillierter und unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Von den Figuren zeigen:
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Fig. 1 eine vergleichende graphische Darstellung des Flussvolumens
gegenüber dem Öffnungswinkel einer typischen Klappenventilanordnung
gemäß dem Stand der Technik und einer Klappenventilanordnung gemäß
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Bauteile, die ein Klappenventilanordnung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bilden;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Bauteile, die eine Klappenventilanordnung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
bilden;
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Bauteile, die eine Klappenventilanordnung
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
bilden; und
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Fig. 5 eine Explosionsansicht der Bauteile, die die in Fig. 2 dargestellte
Klappenventilanordnung bilden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In dem in Fig. 1 dargestellten Graphen stellt die y-Achse die Volumenfluss- bzw.
Durchflussrate Q durch die Ventilklappe der Klappenventilanordnung und die x-Achse
den Öffnungswinkel α der Ventilklappe dar. Eine gestrichelte Linie ist in dem
Graphen gezeigt, welche das Verhältnis zwischen der Flussrate bzw. Strömungsrate und
dem Öffnungswinkel der Ventilklappe für eine herkömmliche Klappenventilanordnung
gemäß dem Stand der Technik mit Einlass- und Auslassöffnungen im Wesentlichen in
zylindrischer Form, mit geradlinigen Öffnungen und einer ebenen Ventilkappe
darstellt.
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Die durchgezogene Kurve in Fig. 1 stellt die Fluss- bzw. Strömmungscharakteristiken
einer Ventilanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dar, wobei daraus gesehen werden kann, dass sich das Flussvolumenverhältnis
schrittweise vergrößert; wenn die Ventilklappe von einer geschlossenen Stellung in
eine offene Stellung verschoben wird. Der Begriff "schrittweise vergrößert", wie er im
Folgenden verwendet wird, bestimmt die durchschnittliche Änderungsrate der
Volumenflussrate während der ersten 5º der Ventilklappenöffnung für die
Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die wenigstens 10%, vorzugsweise
wenigstens
20%, und am allerliebsten wenigstens 30% kleiner ist als diejenige für
eine herkömmliche Klappenventilanordnung mit Einlass- und Auslassöffnungen mit
im Wesentlichen zylindrischer Form, geradlinigen Öffnungen und einer ebenen
Ventilklappe, wobei die Innendurchmesser oder Querschnittsbereiche der Öffnungen
beider Ventilanordnungen die selben sind. Wie dies erreicht wird, wird im Folgenden
detaillierter beschrieben werden.
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In den Fig. 2 bis 5 bezeichnet das Bezugszeichen 10 im Allgemeinen eine
Klappenventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ventilanordnung umfasst ein
Ventilgehäuse und eine Ventilklappe 12, die schwenkbar in dem Ventilgehäuse
angeordnet ist. Obwohl in den Zeichnungen die Ventilklappe 12 als im Wesentlichen eben
oder kreisrund dargestellt ist, kann die Ventilklappe 12 jedes Element mit einer Form,
welche im Wesentlichen der Querschnittsform der Strömungsöffnungen in dem
Ventilgehäuse entspricht, und mit einer Dicke sein (d. h. einer Ausbreitung in der
Strömungsrichtung, wenn sich die Ventilklappe in einer geschlossenen Stellung befindet),
welche kleiner ist als die Querschnittserstreckung der Strömungsöffnungen. Das
Gehäuse selbst umfasst eine Einlass- bzw. Eingangsöffnung 14, eine Auslassöffnung 16
und einen dazwischen liegenden Ventilsitzring 18, wobei der Ventilsitzring 18 die
Ventilklappe 12 für eine Drehung um eine Achse senkrecht zu der Querschnittsebene
unterstützt bzw. trägt. Eine Drehung der Ventilklappe 12 kann auf irgendeine
herkömmliche Weise ausgeführt werden, beispielsweise mittels einer Rolle, wobei um
einen Abschnitt derselben herum ein Drosselkabel verläuft.
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In dem in den Fig. 2 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die
Einlassöffnung 14 als auch die Auslassöffnung 16 jeweils mit einer angeformten
Flusssteuerungsfläche bzw. Durchflusssteuerungsfläche 22, 24 ausgestattet, wobei diese
Flächen unmittelbar benachbart des Ventilsitzrings 18 vorgesehen sind, wenn das
Ventilgehäuse zusammengebaut ist. In diesem Zusammenhang bezeichnet der
Begriff "unmittelbar benachbart des Ventilsitzrings" einen Abschnitt des Ventilgehäuses,
über welchen der Umfang der Ventilklappe 12 reicht, wenn die Ventilklappe von einer
komplett geschlossenen Stellung um 8º geöffnet wurde. Mit anderen Worten wird die
Peripherie der Ventilklappe wenigstens einen Abschnitt einer der angeformten
Flusssteuerungsflächen 22, 24 überschritten haben, wenn die Ventilklappe um 8º geöffnet
wurde. Somit begrenzen der Außenumfang bzw. die Peripherie der Ventilklappe 12
und die angeformte(n) Flusssteuerungsfläche oder -flächen eine Öffnung, welche
fortschreitend bzw. schrittweise größer wird, wenn die Ventilklappe von einer
geschlossenen Stellung in eine offene Stellung bewegt wird bzw. verschoben wird,
wodurch eine schrittweise Vergrößerung der Volumenflussrate möglich ist. In allen
Betriebsstellungen der Ventilklappe 12, d. h. in allen Stellungen außer derjenigen, in
welcher die Ventilklappe vollständig geschlossen ist, findet wenigstens ein Großteil
des Volumenflusses über der Peripherie der Ventilklappe statt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die
Einlassöffnung 14, die Auslassöffnung 16 und der Ventilsitzring 18 einzelne Bauteile, welche
zum Bilden des Ventilgehäuses zusammengebaut werden.
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Die Einlassöffnung 14 und die Auslassöffnung 16 können auch mittels eines
Spritzgussverfahrens aus einem Plastikmaterial, beispielsweise PBTP, Polyamid, Polyester,
modifiziertes PPO, PPS, PESU oder PETP, oder mittels eines Druckgussverfahrens aus
einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, Zink oder Magnesium, hergestellt
werden.
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Vorzugsweise werden der Ventilsitzring 18 und die Ventilklappe sequenziell mittels
eines Spritzgussverfahrens aus einem Plastikmaterial gemäß dem in dem Dokument
EP-A-0 482 272 beschriebenen Verfahren hergestellt, deren Inhalt hiermit durch die
Bezugnahme als eingefügt gelten soll. Es ist jedoch für einen Fachmann
offensichtlich, dass die Ventilklappe und der Ventilsitzring auch auf gewöhnliche Weise
hergestellt und zusammengebaut werden können.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und wie in
Fig. 2 illustriert ist, ist der Ventilsitzring 18 mit einer sich über den Umfangsbereich
erstreckenden Schulter 26 ausgestattet, gegen welche die Ventilklappe 12 anliegt,
wenn sich die Ventilklappe in der völlig geschlossenen Stellung befindet. Eine
derartige geschlossene Stellung kann erwünscht sein, beispielsweise wenn ein Fahrzeug
sich in Bewegung befindet und das Beschleunigungspedal vollständig losgelassen ist.
In den Fällen, in welchen der Ventilsitzring 18 spritzgegossen oder druckgegossen
wird, wird die Schulter 26 während des Spritzguss-/Druckgussbetriebs gebildet.
Ansonsten kann der Ventilsitzring bearbeitet werden, um die Schulter 26 zu erzielen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und wie in
den Fig. 3 und 4 illustriert ist, können der Ventilsitzring und entweder die
Einlassöffnung oder die Auslassöffnung einteilig miteinander ausgebildet sein, beispielsweise
mittels eines Spritzgussverfahrens gemäß der in dem Dokument EP-A-0 482 272
enthaltenen Technik, um eine billigere Ventilanordnung herzustellen. Wie deutlich
erkennbar ist, kann die Öffnung, welche einteilig mit dem Ventilsitzring ausgebildet
wird, nicht mit einer angeformten Flusssteuerungsfläche geformt werden. Eine
derartige Ventilanordnung umfasst nur zwei unterschiedliche Bauteile, d. h. den
Durchgang mit der angeformten Flusssteuerungsfläche und die mit dem Ventilsitzring
verbundene "gerade" Durchgangsöffnung. Somit sind, wie in Fig. 3 dargestellt ist, die
Einlassöffnung und der Ventilsitzring einteilig miteinander ausgebildet, um eine Hälfte
28 des Ventilgehäuses zu bilden, während die Auslassöffnung 16 mit angeformter
Flusssteuerungsfläche 24 die andere Hälfte des Ventilgehäuses bildet. Auf ähnliche
Weise, wie in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Auslassöffnung und der Ventilsitzring
einteilig miteinander ausgebildet, um eine Hälfte 30 des Ventilgehäuses zu bilden,
während die Einlassöffnung 14 mit angeformter Flusssteuerungsfläche 22 die andere
Hälfte des Ventilgehäuses bildet.
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Naturgemäß ist die vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen und in
den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann auf
vielfältige Weise modifiziert werden, ohne den Umfang der beiliegenden Ansprüche
zu verlassen. Während die Ventilklappenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung beispielhaft für eine Verwendung bei der Steuerung eines Luftflusses bzw. einer
Luftströmung in dem Luftansaugsystem einer inneren Verbrennungsmaschine
beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass die Ventilanordnung in jeglichen
Gasstromanwendungen verwendet werden kann. Ähnlich soll verstanden werden, dass,
während die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in den Zeichnungen als relativ
kurze Öffnungen dargestellt sind, die Einlassöffnung 14 sich über den gesamten Weg
bis zu beispielsweise einem Luftfiltergehäuse erstrecken kann. In der Tat kann die
Öffnung ein integraler Bestandteil des Luftfiltergehäuses sein. Es ist auch vorstellbar,
dass die Auslassöffnung 16 ein integraler Bestandteil des Einlassrohres zu dem (den)
Zylinder(n) einer inneren Verbrennungsmaschine ist.