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Die
Erfindung betrifft ein Abgasrückführungsventil,
das zum dosierten Einbringen von Abgas in den Verbrennungszyklus
eines Kraftfahrzeugmotors eingesetzt wird. Hierfür verbindet
eine Rückführleitung einen Abgasausgang des Verbrennungsmotors
mit dessen Luftansaugbereich. Mit der Abgasrückführung
soll beispielsweise nicht verbranntes Kraftstoffgas–Luft-Gemisch
dem Verbrennungszyklus wieder zugeführt werden, und bei
Motorstart soll das dem Verbrennungsmotor zuzuführende
Kraftstoffgas-Luftgemisch vorgewärmt werden.
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Bekannte
Abgasrückführungsventile haben ein Gehäuse
mit einem Eingang für Abgase des Verbrennungsmotors und
einen Ausgang zum Zuleiten der Abgase hin zu dem Luftansaugbereich
des Verbrennungsmotors.
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Je
nach Betriebszustand des Kraftfahrzeugmotors, wie Motorstart, Volllastprinzip
oder dergleichen, wird der Strömungsquerschnitt innerhalb
des Abgasrückführungsventils geändert,
um eine bestimmte Abgasmenge dem Luftansaugbereich zuzuführen.
Dazu hat das bekannte Abgasrückführungsventil
ein Ventilglied, einen Stellantrieb, wie einen Niederdruckstellantrieb,
ein relativ zum Gehäuse durch den Stellantrieb antreibbares
Stellglied, wie eine Stellstange, zum Stellen des Ventilglieds und eine
Anordnung zum Erfassen der Position des Stellglieds oder des Ventilglieds.
Diese Anordnung besteht üblicherweise aus einem Dauermagneten
und einem Hall-Sensor, der über den Magnetfeldlinienverlauf
des Dauermagneten die Position des Dauermagneten und damit die Stellbewegung
des Ventilglieds relativ zum Gehäuse erfassen kann.
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Ein
gattungsgemäßes Abgasrückführungsventil
ist aus
DE 10
2004 042 254 A1 bekannt, bei dem ein länglicher
Stabmagnet in einer außenseitig ausgebildeten Aussparung
der Stellstange ortsfest eingesetzt. Ein Magnetsensor ist in dem
Gehäuse des Abgasrückführungsventils
ortsfest untergebracht.
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Bei
den gattungsgemäßen Abgasrückführungsventilen
erfolgt die Regelung des Abgas-Volumenstroms bei bestimmten Betriebszuständen
mit Hilfe sehr kleiner Stellwege der Stellstange und einer damit
einhergehenden geringen Öffnungsquerschnittsveränderung
des Abgasrückführungsventils. Dabei liegt die
Stellwegamplitude in diesem Betriebszustand bei etwa 0 bis 2 mm,
was eine akkurate Funktionsweise der Positionserfassungsanordnung aus
Magnetsensor und Dauermagneten erforderlich macht. Fehlt den erfaßten
Positionssignalen die erforderliche Genauigkeit, kann sich im Verlauf
der Volumenstromregelung die Ungenauig keit potenzieren, was schließlich
zu einer schadstoffreichen Abgaszusammensetzung führen
kann.
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Es
zeigte sich, daß aufgrund der Individualität jedes
einzelnen Abgasrückführungsventils schon geringste
konstruktive Abweichungen zur Veränderung des Magnetfeldlinienverlaufs
des Dauermagneten führen können. Vor Zusammenbau
oder Inbetriebnahme des Abgasrückführungsventils
ist kaum vorhersagbar, in welchem Positionsbereich ein annähernd
linearer Magnetfeldlinienverlauf gegeben ist, der für die
genaue Positionserfassung erforderlich ist. Häufig kann
erst nach dem Zusammenbau des Abgasrückführungsventils
festgestellt werden, ob ein linearer Magnetverlauf in der obengenannten
effektiven Stellwegamplitude von 0 bis 2 mm vorliegt oder nicht.
Diese Unsicherheit fordert von dem Hersteller von Abgasrückführungsventilen
eine äußerst dimensionspräzise Fertigung,
was die Kosten für ein Abgasrückführungsventil
beträchtlich macht.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik
zu überwinden, insbesondere ein kostengünstiges
Abgasrückführungsventil großer Fertigungstoleranz
zu schaffen, bei dem sogar in Betriebszuständen größter
Stellwegempfindlichkeit eine präzise Abgasvolumenstromregelung
ermöglicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Danach ist das gattungsgemäße Abgasrückführungsventil
zusätzlich mit einem Mechanismus zum Einstellen einer relativen
Position der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes, wie eines
Dauermagneten, und des Sensors zueinander nach Einnahme einer vorbestimmten
Einbauposition innerhalb des Gehäuses auszustatten. Mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Mechanismus zum Nachjustieren
der Einbaupositionen der Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes
oder des Sensors kann auf einfache Weise der Sensor an der Stelle
gehalten werden, an der eine ausreichende Linearität der
Magnetfeldlinien im Verlauf des effektiven Hub-Stellwegs vorliegt.
Eine äu ßerst präzise Fertigung für
dies erfindungsgemäße Abgasrückführungsventil
ist folglich hinfällig.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Einbauposition
der Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes und/oder des Sensors
in einer Stellbewegungsrichtung des Stellgliedes verlagerbar. Ein
als Stellstange ausgebildetes Stellglied ist in deren Längsrichtung
verlagerbar. Um die Einbauposition der Einrichtung zum Erzeugen
des Magnetfeldes individuell nachstellen zu können, wird
die Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds in Längsrichtung
der Stellstange verschoben. Es sei angemerkt, daß auch
die Position des Sensors relativ zu der Einrichtung zur Erzeugung
des Magnetfeldes verlagert werden kann, um in den gewünschten
Bereich von annährend lineareren Magnetfeldlinien zu sensieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung
zur Erzeugung des Magnetfelds in einem Hohlraum des Stellglieds
untergebracht und dort in Längsrichtung des Stellglieds
verlagerbar. Auf diese Weise ist eine geschützte Unterbringung
der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds sichergestellt. Außerdem
ist durch das die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds umgebende Material
ein Magnetfeldlinienverlauf einfacher vorhersehbar. Vorzugsweise
ist die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds in einer Bohrung,
insbesondere in einem Sackloch, in dem Stellglied verschiebbar gelagert.
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Die
Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds kann mittels eines Zwangmittels,
wie einer Vorspannfeder, gegen einen ortsdefinierten Anschlag gedrängt
sein. Um die Position der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds
zu verändern, kann die Position des Anschlags relativ zum
Sensor verlagert werden.
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Um
eine einfache Verstellung der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds
zu erzielen, ist der Anschlag durch eine Stellschraube gebildet,
gegen die eine Vorspannfeder wirkt. Die Vorspannfeder kann sich
an einem Sacklochboden des Stellglieds abstützen. Bei einer
bevor zugten Ausführung der Erfindung ist das Stellglied
eine translatorisch bewegbare Stellstange mit einem in einer Längsrichtung ausgerichteten
Sackloch. In dem Sackloch kann ein Stabdauermagnet verschiebbar
angeordnet sein.
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Vorzugsweise
ist der Sensor ein Hall-Sensor, vorzugsweise ein proportionaler
Hall-Sensor.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist die vorbestimmte Einbauposition
durch eine Endlage des Ventilglieds definiert. Bei der Endlage ist
eine Strömung von Abgasen zwischen dem Eingang und dem
Ausgang des Abgasrückführungsventils unterbunden.
Diese vorbestimmte Einbauposition ist eine geeignete Ausgangsposition,
um die Justierung des zusammengebauten Abgasrückführungsventils durchzuführen.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilglied
eine Ventilklappe, die mittig gelagert ist. Eine Mittelachse der
mittigen Lagerung trennt zwei Seitenbereiche der Ventilklappe, auf
die die Abgasströmung trifft und die im wesentlichen flächengleich
sind.
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Vorzugsweise
ist die Ventilklappe im wesentlichen kreisrund und deren Seitenbereich
ist entsprechend halbkreisförmig. Eine Schwenkachse der
Ventilklappe liegt auf einem Durchmesser der Ventilklappe.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer
Positionserfassung eines Ventilglieds eines Abgasrückführungsventils,
das insbesondere entsprechend dem oben genannten erfindungsgemäßen
Abgasrückführungsventil gebildet ist. Erfindungsgemäß wird
bei dem Kalibrierverfahren der Sensor und die Einrichtung zum Erzeugen
des Magnetfelds in einer vorbestimmten Einbauposition innerhalb
des Gehäuses des Abgasrückführungsventils
montiert. Nach Einnahme der vorbestimmten Einbauposition wird überprüft,
ob bei kleinen Stellbewegungen des Ventilglieds, insbesondere bei
einem Stellweg von 0 bis 2 mm, ein zumindest annähernd
lineares Magnetfeld zur Positionserfassung detektiert werden kann.
Bei unzureichender Linearität wird die relative Position
des Sensors und der Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfelds zueinander
solange verändert, bis eine ausreichende Linearität
des Magnetfeldes vorliegt, insbesondere im Bereich des Stellwegs
ist, bei dem eine exakte Positionserfassung aufgrund der Empfindlichkeit
der Abgasregelung bereitzustellen ist.
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Vorzugsweise
wird die kleine Stellbewegung aus einer vordefinierten Lage, insbesondere
einer Endlage, des Ventilglieds durchgeführt, bei der eine Strömung
von Abgas zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Gehäuses
des Abgasrückführungsventils unterbunden ist.
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Weitere
Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden durch
die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung
anhand der beiliegenden Zeichnungen deutliche, in denen zeigen:
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1 ein
schematisches Ablaufdiagramm eines Abgaskreislaufes, in dem das
erfindungsgemäße Abgasrückführungsventil
integriert ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen
Abgasrückführungsventils;
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3 eine
grafische Darstellung von Meßkurven des Sensorsignals und
der Linearitätsabweichung längs des Verlagerungsweges
des Ventilglieds; und
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4 eine
zweite Ausführung des erfindungsgemäßen
Abgasrückführungsventils.
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In 1 ist
schematisch ein Rückführungskreislauf für
zumindest einen Teil der Abgase eines Verbrennungsmotors 1 gezeigt.
Von einer Abgasleitung 3 des Verbrennungsmotors 1 zweigt
eine Abgasrückführungsleitung 5 ab, um über
ein Abgasrückführungsventil 7 zumin dest
einen Teil der vom Verbrennungsmotor 1 abgegebenen Abgase
zu einer Verbrennungsluftansaugleitung 9 des Verbrennungsmotors 1 zu
leiten. Der zurückgeführte Teil der Abgase wird
zur Bildung eines Luft-Kraftstoffgas-Gemisches genutzt, dessen Verbrennung
schließlich ein schadstoffarmes Endabgas ergibt.
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Da
schon bei einer geringen Änderung der zurückgeführten
Abgasmenge die Schadstoffkonzentration in dem Endabgas stark variieren
kann, kommt es auf eine genaue Regelung und Ansteuerung des Abgasrückführungsventils 7 an,
um für jeden Betriebszustand des Verbrennungsmotors ein optimales
Luft-Kraftstoffgas-Abgasgemisch zu bilden.
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Eine
Lambdasonde 11 in der Abgasleitung 3 ermittelt
den Schadstoffgehalt des Endabgases, der an einen Regler 13 weitergeleitet
wird. In Abhängigkeit von den Schadstoffmeßwerten
wird in dem Regler 13 die für den Betriebszustand
geeignete Durchflußmenge der Rückführabgase
ermittelt, und der Regler steuert entsprechend das Abgasrückführungsventil 7 an.
Das Abgasrückführungsventil 7 ist an
eine (nicht näher dargestellte) Unterdruckquelle angeschlossen,
die die Antriebskraft für das Abgasrückführventil
bildet, wobei ein von dem Regler 5 angesteuertes Durchlaßventil 21 die
entsprechende Unterdruckzufuhr an das Abgasrückführungsventils 7 einstellt.
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In 2 ist
eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen
Abgasrückführungsventils 7 im Detail
dargestellt. In einem Gehäuse 23 des Abgasrückführungsventils 7 sind
der Eingang 15 und der Ausgang 17 über
eine Ventilöffnung 26 miteinander verbunden. Die
Ventilöffnung 26 wird von einem Dichtsitz 28 begrenzt,
der mit einem beweglichen Ventilglied 30 im geschlossenen
Zustand in Kontakt steht. Der Dichtsitz 28 sowie das Gehäuse 23 können
aus einem Duoplast aus einem Stück gespritzt sein. Der Dichtsitz 28 kann
auch als separater O-Ring ausgeführt sein. Von einem Strömungsquerschnitt
zwischen dem Ventilglied 30 und dem Dichtsitz 28 hängt die
Durchflußmenge des Abgases durch das Abgasrückführungsventil 7 hindurch
ab. Der Strömungsquerschnitt kann durch Einstellen des
Verlagerungs-Hub des Ventilglieds 30 verändert
werden.
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Das
Ventilglied 30 wird von einem Stellantrieb 32 bewegt,
dessen Stellstange 34 mit dem Ventilglied 30 verbunden
ist. Die Stellstange 34 ist innerhalb des Gehäuses 23 translatorisch
verschiebbar gelagert. Die Lagerung der Stellstange 34 ist
einer Trennwand 24 innerhalb des Gehäuses 23 realisiert, die
den Innenraum des Gehäuses 23 in eine Durchströmkammer 25 und
eine Druckkammer 27 unterteilt. In der Druckkammer 27 ist
eine Spiralfeder 36 unter Vorspannung eingesetzt, die das
Drangen der Stellstange 34 und damit des Ventilglieds 30 gegen den
Ventilsitz veranlaßt. Die Stellstange 34 ist mit
einem die Druckkammer 27 begrenzende Membran 38 gekoppelt.
Der Stellantrieb 32 arbeitet wie folgt: In einer in 2 dargestellten
geschlossenen Position des Ventilglieds 30 drückt
die Spiralfeder 36 die Membran 38 und damit das
Ventilglied 30 gegen den Dichtsitz 28. Wird nun
Unterdruck 44 über einen in die Druckkammer 27 mündenden
pneumatischen Einlaß 40 in der Druckkammer 27 erzeugt,
wird die Membran 38 und damit das Ventilglied 30 gegen
die Vorspannkraft der Spiralfeder 36 von dem Ventilsitz weg
gezogen, und das Abgasrückführungsventil 7 wird
geöffnet.
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Um
die aktuelle Position des Ventilglieds 30 oder der Stellstange 34 ständig
zu messen, ist in der Trennwand 24 ein Magnetsensor 42 ortsfest
angeordnet, der eine magnetische Feldstärke eines in der Stellstange 34 angeordneten
Stabmagneten 44 mißt. Der Magnetsensor 42 ist
ein proportionaler Hall-Sensor. Der Stabmagnet 44 ist verschiebbar
in einem Sackloch 46 in der Stellstange 34 angeordnet.
Am Boden des Sacklochs 46 stützt sich eine Vorspannfeder 48 ab,
die den Stabmagneten 44 gegen eine Stellschraube 50 drückt,
die auf einer der Vorspannfeder 48 gegenüberliegenden
Seite des Langmagneten 44 in die Stellstange ausgedreht
ist. Der Stabmagnet 44 kann in axialer Bewegungsrichtung
der Stellstange 34 längs des Sacklochs 46 durch
Drehen der Stellschraube 50 ortsdefiniert verlagert werden.
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Um
einen manuellen Zugang auf die Stellschraube 50 bereitzustellen,
kann ein Deckel 52 von dem Gehäuse 23 des
Abgasrückführungsventils 7 abgenommen
werden.
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Mit
der Verstellbarkeit des Stabmagneten 44 innerhalb des Sacklochs 46 kann
das Abgasrückführungsventil justiert bzw. kalibriert
werden. Nachdem das Abgasrückführungsventil, wie
es in 2 dargestellt ist, zusammengebaut worden ist,
kann der Justiervorgang unmittelbar beginnen. Von der definierten Verschlußposition
des Ventilglieds 30 kann der Stabmagnet 44 so
lang axial relativ zu dem Magnetsensor 42 verschoben werden,
bis das gewünschte lineare Magnetfeld im Bereich des Magnetsensors 42 ermittelt
werden kann. Anschließend ist das Abgasrückführungsventil 7 funktionsfähig
und kann in die Abgasrückführungsleitung des Kraftfahrzeugs
eingebaut werden.
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Bei
der Regelung des Abgasdurchflusses durch das Abgasrückführungsventil 7 hindurch, kommt
es darauf an, daß unmittelbar beim Öffnen, also
beim Entfernen des Ventilglieds 30 von dem Ventilsitz,
positionsgenau die Lage des Ventils festgestellt werden kann. Um
dies zu realisieren, kommt es darauf an, daß in der Verschlußendlage
des Ventilglieds 30 der Stabmagnet 44 im Bereich
des Magnetsensors 42 ein lineares Magnetfeld bereitstellt.
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Liegt
dieses lineare Magnetfeld nicht längs des Stellwegs unmittelbar
nach Öffnen des Ventilglieds vor, so kann durch Verlagerung
des Stabmagneten 44 relativ zum Magnetsensor 42 andere
Magnetfeldbereiche für den Magnetsensor 42 erreicht werden,
die eine höhere Linearität besitzen.
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In 3 ist
ein Diagramm dargestellt, bei dem die Abszisse des Koordinatensystems
durch den Hubstellweg in Millimeter definiert ist, wobei die linke
Ordinate das absolute Sensorsignal in Volt wiedergibt, welches von
dem Magnetsensor 42 im Verlauf des Hubstellwegs gemessen
wird. An der rechten Ordinatenachse ist eine Linearitätsabweichung
in Prozent definiert, die eine Abweichung des Magnetfelds von einer
idealen Lineartität festlegt.
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Die
schwächeren grauen, sehr aneinanderliegenden Kurven A,
B geben das gemessene, reale Sensorsignal an, das beim Durchfahren
des gesamten Hubstellwegs ermittelbar ist. Die Linie C gibt eine Idealgerade
wieder. Wie in der graphischen Darstellung ersichtlich ist, sind
die Linien A, B leicht gekrümmt und unlinear.
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Die
Kurven a, b geben die Linearitätsabweichung für
die der Meßsignale A, B gegenüber der Idealen
C wieder.
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Es
ist feststellbar, daß die geringste Linearitätsabweichung
im wesentlichen im Bereich des Stellhubwegs von 0 bis 3 mm besteht.
Ab 3 mm nimmt die Linearitätsabweichung stetig zu, wobei
der Hochpunkt bei etwa der 9 mm-Hubstellwegstelle erreicht ist,
von der die Lineraritätsabweichung wieder abfällt.
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Die
in 3 gezeigten Meßergebnisse zeigen deutlich,
daß die genauesten Positionssignale wunschgemäß unmittelbar
nach Öffnen des Ventilglieds, also in den ersten drei Stellhubwegbereich von
0 bis 3 mm vorliegt.
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In 4 ist
eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen
Abgasrückführungsventils dargestellt, wobei zur
besseren Lesbarkeit der Figurenbeschreibung für identische
oder ähnliche Bauteile die selben Bezugsziffern wie in 2 verwendet
sind, die allerdings um 100 erhöht sind.
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Das
Abgasrückführungsventil 107 gemäß 4 unterscheidet
sich von dem in 2 im wesentlichen im Aufbau
des Ventilglieds. Im Gegensatz zur Ausführung gemäß 2 ist
das Ventilglied nicht als Dichtungskörper, wie ein Elastomer-
oder Duroplastkörper, realisiert, sondern als Ventilklappe 130, die
mit einer mittigen Lagerung versehen ist. Die mittige gelagerte
Ventilklappe 130 dient dazu, die Ventilöffnung 126 zu öffnen
und zu schließen. Die Ventilklappe 130 wird um
die mittige Lagerung geschwenkt, wobei die Schwenkachse auf einem Durchmesser
der kreisrunden Ventilklappe liegt. Auf diese Weise werden halbkreisförmige
Flachseiten gleicher Fläche gebildet, so daß zum
Stellen der Ventilklappe 130 nur Reibungskräfte
innerhalb der Lagerung überwunden werden müssen.
Die auf die Ventilklappe 130 wirkenden Strömungskräfte
heben sich aufgrund der Gleichflächigkeit der halbkreisförmigen Flachseiten
gegenseitig auf. Auf diese Weise muß die Größe
des Stellantriebs nicht an die Größe der Ventilklappe 130 angepaßt
werden, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Ventilklappen 130 in
ein und demselben Abgasrückführungsventil 107 benutzt
werden sollen.
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Die
Ventilklappe 130 ist randseitig über eine Gelenkkette 154,
die aus zwei Scharniergelenken besteht, nämlich ein Scharniergelenk
ist ventilklappenseitig angeordnet, das andere damit verbundene Scharniergelenk
ist stellantriebsseitig angeordnet.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie
Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die
Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen
wesentlich sein.
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 3
- Abgasleitung
- 5
- Rückführungsleitung
- 7,
107
- Abgasrückführungsventil
- 9
- Verbrennungsluftansaugleitung
- 11
- Schadstoffsensor
- 13
- Schadstoffregler
- 15,
115
- Eingang
- 17,
117
- Ausgang
- 21
- Durchlaßventil
- 23,
123
- Gehäuse
- 24
- Trennwand
- 25
- Durchflußkammer
- 26,
126
- Ventilöffnung
- 27
- Druckkammer
- 28,
128
- Dichtsitz
- 30
- Ventilglied
- 32,
132
- Stellantrieb
- 34,
134
- Stellstange
- 36,
136
- Spiralfeder
- 38,
138
- Membran
- 40,
140
- pneumatischer
Einlaß
- 42,
142
- Magnetsensor
- 44,
144
- Stabmagnet
- 46,
146
- Sackloch
- 48,
148
- Vorspannfeder
- 50,
150
- Stellschraube
- 52,
152
- Deckel
- 130
- Ventilklappe
- 154
- Gelenkkette
- 156
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004042254
A1 [0004]