DE102005044089A1

DE102005044089A1 - Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasstroms

Info

Publication number: DE102005044089A1
Application number: DE200510044089
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Geskes; Hans-Peter Klein
Original assignee: Behr GmbH and Co KG; Behr Thermot Tronik GmbH
Current assignee: Behr Thermot Tronik GmbH; Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN101287901A; EP1926907A2; JP2009507172A; WO2007028381A3; US7938106B2; WO2007028381A2; US20080250787A1; EP1926907B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasstroms, umfassend ein Gehäuse (1, 101) mit zumindest einem ersten, einem zweiten und einem dritten Anschluß (2, 3, 4, 102, 103, 104) zur Verbindung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Abgaskanal zur Führung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, ein erstes Schieberelement (6, 106) mit einer beweglichen ersten Schieberstange (6a, 106a) und einem daran angeordneten ersten Verschlußglied (6c, 106c), ein zweites Schieberelement (7, 107) mit einer beweglichen zweiten Schieberstange (7, 107a) und einem daran angeordneten zweiten Verschlußglied (7c, 107c) und einen Aktuator zur kraftunterstützten Betätigung der Vorrichtung, wobei eine Verbindung (4c, 104b) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß über das erste Verschlußglied (6, 106) einstellbar verschließbar ist, wobei eine Verbindung (3c, 103b) zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß über das zweite Verschlußglied (7c, 107c) einstellbar verschließbar ist, wobei eine mit dem Aktuator verbundene Steuermechanik (8, 108) vorgesehen ist, wobei das erste Schieberelement (6, 106) und das zweite Schieberelement (7, 107) über die Steuermechanik (8, 108) verstellbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasstroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aktuelle Anforderungen an die Schadstoffemission, insbesondere von Dieselmotoren, haben zu der Entwicklung von Abgas-Rückführsystemen für Verbrennungsmotoren geführt. Das rückgeführte Abgas ist dabei allgemein mittels eines Abgaskühlers zu kühlen, wobei zur Sicherstellung der Funktion regelmäßig eine Bypass-Leitung parallel zu dem Abgaskühler angeordnet ist. Grundsätzlich besteht die Problematik, den heißen und chemisch aggressiven Abgasstrom sowohl in der Dosierung als auch in der Verzweigung auf Abgaskühler oder Bypass zu regeln. Hierzu sind Steuerventile bekannt, bei denen eine erste Stellklappe die Dosierung und eine zweite Stellklappe die Verteilung auf Kühler und Bypass vornimmt. Allgemein sind hierzu zwei separate Antriebseinheiten für die Stellklappen erforderlich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasstroms anzugeben, die durch eine geringe Anzahl erforderlicher Komponenten kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das Vorsehen der Steuermechanik mit dem Aktuator ist es erfindungsgemäß ermöglicht, sowohl das erste Schieberelement als auch das zweite Schieberelement zu verstellen, was regelmäßig nur einen einzigen Aktuator erforderlich macht. Bevorzugt ist dabei je einer der zumindest drei Anschlüsse mit einer Abgasleitung, einem Abgaskühler und einer Bypass-Leitung des Abgaskühlers verbunden. So können die beiden Schieberelemente z. B. der Abgasleitung nachgeordnet sein und das in der Abgasleitung zugeführte Abgas über nur einen Aktuator dosierbar auf Abgaskühler und Bypass-Leitung verteilen. Alternativ kann die Abgasleitung der Bypass-Leitung und dem Abgaskühler nachgeordnet sein, was zumindest im Normalbetrieb bei Führung über den Abgaskühler eine niedrigere Abgastemperatur im Bereich der Schieberelemente mit sich bringt.

In bevorzugter Ausführung ist zumindest das erste Schieberelement mittels einer Feder in Schließrichtung kraftbeaufschlagbar, wodurch ein besonders dichter Verschluss des Verschlussgliedes in geschlossener Stellung vorliegt.

Weiterhin bevorzugt übt der Abgasstrom auf zumindest das erste Verschlussglied einen Druck in Öffnungsrichtung aus. Hierdurch können der Aktuator und auch die Steuermechanik kleinbauend ausgelegt werden, da nur geringe Öffnungskräfte erforderlich sind. Alternativ kann der Abgasstrom auch in Schließrichtung auf das Verschlussglied wirken.

In besonders bevorzugter Ausführung ist an zumindest dem ersten Schieberelement ein weiteres, zu dem ersten Verschlussglied bewegliches Verschlussglied vorgesehen, wobei die Verschlussglieder im Zuge einer Öffnungsbewegung des Schieberelements nacheinander eine ihnen zugeordnete Öffnung freigeben. Hierdurch kann eine im wesentlichen zweistufige Öffnung des Weges des ersten Schieberelements erreicht werden, wodurch mit einfachen Mitteln eine besonders flexible Einstellbarkeit des Abgasstromes gegeben ist. Insbesondere durch geeignete, beispielsweise konische Ausformung des Verschlussgliedes kann auch eine gute stufenlose Einstellbarkeit zusätzlich zu der Zweistufigkeit realisiert werden. Bei Druckbeaufschlagung eines der Verschlussglieder in Schließrichtung kann durch die zweistu fige Öffnung die erforderliche Öffnungskraft klein gehalten werden, da nicht die gesamte Querschnittsfläche der Öffnung auf einmal freizugeben ist.

In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Steuermechanik zumindest einen drehbar gelagerten Hebel, um die Kraft des Aktuators geeignet auf die Schieberelemente umzulenken. Alternativ oder ergänzend kann die Steuermechanik auch eine drehbare Welle mit einem exzentrischen Element oder auch eine Kulissenscheibe umfassen. Diese mechanischen Elemente der Steuermechanik sind jeweils für sich oder auch in Kombination geeignet, einer ersten Stellung des Aktuators eine Öffnung des ersten Schieberelements und einer zweiten Stellung des Aktuators eine Öffnung des zweiten Schieberelements zuzuordnen. Je nach Auslegung der Steuermechanik besteht dabei eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Wahl eines geeigneten Aktuators. So kann der Aktuator bevorzugt eine lineare, insbesondere hydraulische Antriebseinheit umfassen oder alternativ eine rotatorische, insbesondere elektromotorische Antriebseinheit. Grundsätzlich ist jeder Aktuator zur Kombination mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet. Bei geeigneter Auslegung der Steuermechanik kann die räumliche Anordnung des Aktuators so erfolgen, dass der Aktuator nur eine geringe Hitzebeaufschlagung durch das rückgeführte Abgas erfährt.

In einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest das erste Verschlussglied tellerförmig ausgebildet. Dichtend abschließende Ventilteller benötigen nur wenig Bauraum und sind kostengünstig herstellbar.

In alternativer Ausführung ist zumindest das erste Verschlussglied konisch ausgebildet, wodurch bei geeigneter Ausformung eine besonders gute Einstellbarkeit der Öffnung zwischen den betreffenden Anschlüssen ermöglicht ist.

Weiterhin alternativ kann zumindest das erste Verschlussglied eine drehbare Stellklappe umfassen. Allgemein kann jedoch jede von den Temperaturanforderungen her geeignete Ausführung eines Ventilverschlusses vorgesehen sein.

Weitere Vorteile und Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst ein Gehäuse 1 mit einem ersten Anschluss 2, einem zweiten Anschluss 3 und einem dritten Anschluss 4. Der erste Anschluss 2 ist gemäß der Zeichnung zwar zweigeteilt, jedoch über eine geeignete, nicht dargestellte Verzweigung an denselben Abgaskanal zur Zuführung von Abgas eines Verbrennungsmotors angeschlossen. Die beiden gemäß der schematischen Schnittdarstellung getrennten Kammern 2a, 2b des Gehäuses 1 sind somit im wesentlichen mit dem gleichen Abgasdruck beaufschlagt.
Zwischen den Kammern 2a, 2b ist eine mit dem Anschluss 3 verbundene Kammer 3a und eine mit dem Anschluss 4 verbundene Kammer 4a vorgesehen, wobei eine Wand 5 die Kammern 3a, 4a voneinander trennt. Die Kammer 3a hat eine Verbindung 3b zu der Kammer 2a des Anschlusses 2 und eine Verbindung 3c zu der Kammer 2b des Anschlusses 2. Die Kammer 4a hat eine Verbindung 4b zu der Kammer 2a des Anschlusses 2 und eine Verbindung 4c zu der Kammer 2b des Anschlusses 2. Die Verbindungen 4b, 4c und die Verbindungen 3b, 3c liegen jeweils paarweise auf einer gemeinsamen Achse.
Ein erstes Schieberelement 6 ist entlang der Verbindungsachse der Verbindungen 4b, 4c angeordnet. Es umfasst eine translatorisch in ihrer Längsrichtung bewegliche Schieberstange 6a, die an einem äußeren Durchbruch 6b des Gehäuses 1 im wesentlichen dichtend gleitgeführt ist. Einenends der Schieberstange 6a befindet sich ein mit der Ventilstange 6a verbundenes, als Ventilteller 6c ausgebildetes Verschlussglied, welches dichtend an der Verbindung 4c anliegen kann. Ein zweiter Ventilteller 6d ist auf der Schieberstange 6a gleitend gelagert und gegen den ersten Ventilteller 6c über ein Federelement 6g abgestützt. Andernends der Schieberstange 6a weist diese eine Gleitstück 6e auf, wobei eine Feder 6f zwischen der Wandung der Kammer 2a und dem Gleitstück 6e abgestützt ist.
Die Feder 6f beaufschlagt gemäß der Darstellung nach 1 das erste Schieberelement 6 mit einer nach links gerichteten Kraft. In der dargestellten geschlossenen Position des ersten Schieberelements 6 wird der zweite Ventilteller 6d durch die Feder 6g dichtend auf die Verbindung 4b gedrückt, so dass die Feder 6g eine bezüglich der Abstützung gegen das Gehäuse 1 der Feder 6f entgegengesetzte Kraft ausübt. Die Feder 6f ist stärker ausgelegt als die Feder 6g, so dass die summierten Federkräfte beide Ventilteller 6c, 6d in geschlossener Position halten.
Parallel zu dem ersten Schieberelement 6 ist ein zweites Schieberelement 7 angeordnet, das genauso wie das erste Schieberelement 6 aufgebaut ist, so dass seine Komponenten entsprechende Bezugszeichen 7a bis 7g tragen. Das zweite Schieberelement 7 ist auf der Achse der Verbindungen 3b, 3c angeordnet, so dass seine Ventilteller 7c, 7d zum Verschluss der Verbindungen 3c, 3b angeordnet sind. Im Unterschied zu dem ersten Schieberelement 6 ist das zweite Schieberelement 7 in einer vollständig geöffneten Position dargestellt, was sich an der nach rechts verschobenen Position der Schieberstange 7a erkennen lässt. Ersichtlich weist dabei der erste Ventilteller 7c des zweiten Schieberelements 7 einen größeren Abstand von der ihm zugeordneten Öffnung 3c auf als der zweite Ventilteller 7d von der ihm zugeordneten Öffnung 3b. Hieraus zeigt sich eine Zweistufigkeit des Öffnungsvorgangs, wobei bei einem Eindrücken des jeweiligen Schieberelements 6, 7 entgegen der Kraft der Feder 6f, 7f zunächst eine Öffnung des endseitigen, festen Ventiltellers 6c, 7c bewirkt. Im Zuge dieses ersten Öffnungsabschnitts entspannt sich die Feder 6g, 7g zwischen den Ventiltellern allmählich, bis der zweite Ventilteller 6d, 7d über einen nicht dargestellten Mitnehmer der Ven tilstange 6a ebenfalls in Öffnungsrichtung zwangsbewegt wird. Durch diese Zweistufigkeit der Öffnung lässt sich eine besonders gut definierte Dosierung des rückgeführten Abgasstroms bewirken.
Eine Steuermechanik 8 umfasst einen drehbar gelagerten Hebel 8a, wobei der Drehpunkt ortsfest gegenüber dem Gehäuse 1 ist.
Der drehbar gelagerte Hebel 8a ist so ausgeformt, dass bei seiner Bewegung in eine Richtung eine Gleitfläche 8b des Hebels 8a mit der Gleitnocke 6e des ersten Schieberelements zusammenwirkt und bei Auslenkung in Gegenrichtung mit der Gleitnocke 7e des zweiten Schieberelements 7. Das jeweils nicht betätigte Schieberelement gerät dabei jeweils außer Eingriff mit der Gleitfläche 8b des Hebels 8a, so dass dieses Schieberelement bedingt durch die zuvor beschriebenen Federkräfte geschlossen ist.
Ein nicht dargestellter Aktuator ist in Form einer linearen hydraulischen Krafteinleitungseinheit ausgebildet. Mit Hilfe des Aktuators kann der Hebel 8a antreibbar in die eine oder die andere Richtung bewegt werden, wodurch entweder das erste Schieberelement 6 oder das zweite Schieberelement 7 in Öffnungsrichtung betätigt wird. Bei Betätigung des ersten Schieberelements 6 in Öffnungsrichtung werden die das Abgas zuführenden Kammern 2a, 2b über die Verbindungen 4b, 4c jeweils mit der Kammer 4a verbunden. Der Anschluss 4 führt dabei zu einem Abgaskühler des rückgeführten Abgases. Bei entsprechend entgegengesetzt gerichteter Betätigung des Hebels 8a wird das zweite Schieberelement 7 in Öffnungsrichtung betätigt, wobei die Kanäle 2a, 2b über die Verbindungen 3b, 3c mit dem Kanal 3a verbunden werden. Der Kanal 3a steht über den Anschluss 3 mit einer Bypass-Leitung in Verbindung, welche den Abgaskühler parallel umgeht.
Insgesamt kann somit durch eine eindimensionale Einstellung eines einzigen Aktuators sowohl eine Auswahl getroffen werden, ob ein Abgasstrom mit dem Abgaskühler oder der Bypass-Leitung verbunden wird als auch die Dosierung des rückgeführten Abgases gewährleistet werden. Die Ventilteller 4b, 4c, 3b, 3c können dabei zumindest teilweise konisch ausgeformt und gegebenenfalls in entsprechenden becherförmigen Ventilsitzen aufgenommen sein, um eine noch feinere Dosierung des rückgeführten Abgasstroms zu ermöglichen.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 hat im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel lediglich eine einzige zuführende Kammer 102a mit einem Anschluss 102. Die zuführende Kammer 102a ist über eine erste Verbindungsöffnung 103b mit einer Kammer 103a eines zweiten Anschlusses 103 verbunden und über eine Verbindungsöffnung 104b mit einer Kammer 104a eines dritten Anschlusses 104. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Schieberelement 106 und ein zweites Schieberelement 107 vorgesehen. Aufgrund der vereinfachten Ausgestaltung des Gehäuses 101 mit nur je einer Verbindung 103b, 104b zwischen der Zuleitung 102a und den beiden Ableitungen 103a, 104a weist jedes der Schieberelemente 106, 107 lediglich einen Ventilteller 106c, 107c auf, welcher jeweils am Ende einer entsprechenden Schieberstange 106a, 107a festgelegt ist. Ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Schieberstangen 106a, 107a in Öffnungen 106b, 107b des Gehäuses 101 geführt und in Schließrichtung über Federn 106f, 107f kraftbeaufschlagt. Endseitig der Schieberstangen 106a, 107a befinden sich Gleitflächen 106e, 107e. Die Steuermechanik 108 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst eine drehbare Welle 108a, welche senkrecht zu den Schieberstangen 106a und 107a verläuft und jeweils auf Höhe der Gleitflächen 106e, 107e nockenartige exzentrische Elemente 108b, 108c aufweist. Die exzentrischen Elemente 108b, 108c sind im wesentlichen formgleich, aber um einen Drehwinkel von 180° versetzt zueinander auf der Welle 108a festgelegt.
In der Drehstellung der Welle 108a gemäß 2 greift der eine Exzenter 108b an der ihm gegenüberliegenden Gleitfläche 107e so an, dass die Schieberstange 107a maximal in Öffnungsrichtung gegen die Federkraft eingedrückt ist und das Schieberelement 107 geöffnet ist. Der andere Exzenter 108b greift dagegen nicht an der Gleitfläche 106e des ersten Schieberelements 106 an, so dass das erste Schieberelement 106 bedingt durch die Federkraft geschlossen ist. Ersichtlich sind die Nocken 108b, 108c so steil ausgeformt, dass es eine Stellung der Drehwelle 108a gibt, bei der keines der Schieberelemente 106, 107 geöffnet ist. Aufgrund der Ausformung der Flanken der Nocken ist je nach Drehstellung auch eine nur teilweise Öffnung eines Schieberelements 106, 107 möglich, wobei das jeweils andere Schieberelement geschlossen ist.
Ein nicht dargestellter Aktuator ist nach Art eines Elektromotors ausgeformt und gegebenenfalls über ein Übersetzungsgetriebe mit der Drehwelle 108a verbunden. Es kann sich aber auch um einen linearen Hydraulikzylinder handeln, der zum Beispiel über eine Zahnstange und ein Ritzel eine Linearbewegung in die Drehbewegung der Drehwelle 108a überträgt.
Es versteht sich, dass die Komponenten, insbesondere die Steuermechaniken 8, 108, des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels gegeneinander ausgetauscht sein können. So kann etwa nur eines der Schieberelemente zweistufig ausgelegt sein. Ebenso kann die Anordnung der Verschlussglieder je nach Anordnung von dem Abgasdruck in Schließrichtung oder in Öffnungsrichtung beaufschlagt sein.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung eines Abgasstroms, umfassend ein Gehäuse (1, 101) mit zumindest einem ersten, einem zweiten und einem dritten Anschluß (2, 3, 4, 102, 103, 104) zur Verbindung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Abgaskanal zur Führung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, ein erstes Schieberelement (6, 106) mit einer beweglichen ersten Schieberstange (6a, 106a) und einem daran angeordneten ersten Verschlußglied (6c, 106c), ein zweites Schieberelement (7, 107) mit einer beweglichen zweiten Schieberstange (7, 107a) und einem daran angeordneten zweiten Verschlußglied (7c, 107c), und einen Aktuator zur kraftunterstützten Betätigung der Vorrichtung, wobei eine Verbindung (4c, 104b) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß über das erste Verschlußglied (6, 106) einstellbar verschließbar ist, wobei eine Verbindung (3c, 103b) zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß über das zweite Verschlußglied (7c, 107c) einstellbar verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Aktuator verbundene Steuermechanik (8, 108) vorgesehen ist, wobei das erste Schieberelement (6, 106) und das zweite Schieberelement (7, 107) über die Steuermechanik (8, 108) verstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je einer der zumindest drei Anschlüsse (2, 3, 4, 102, 103, 104) mit einer Ab gasleitung, einem Abgaskühler und einer -Leitung des Abgaskühlers verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Schieberelement (6, 106) mittels einer Feder in Schließrichtung kraftbeaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom auf zumindest das erste Verschlußglied (106c) einen Druck in Öffnungsrichtung ausübt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest dem ersten Schieberelement (6) ein weiteres, zu dem ersten Verschlußglied (6c) bewegliches Verschlußglied (6d) vorgesehen ist, wobei die Verschlußglieder (6c, 6d) im Zuge einer Öffnungsbewegung des Schieberelements (6) nacheinander eine ihnen zugeordnete Öffnung (4b, 4c) freigeben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermechanik (8) zumindest einen drehbar gelagerten Hebel (8a) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermechanik (108) eine drehbare Welle (108a) mit einem exzentrischen Element (108b, 108c) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermechanik eine Kulissenscheibe umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine lineare, insbesondere hydraulische Antriebseinheit umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine rotatorische, insbesondere elektromotorische Antriebseinheit umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Verschlussglied (6c) tellerförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Verschlußglied konisch ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Verschlußglied eine drehbare Stellklappe umfasst.