DE102007050897A1 - Valve for controlling the exhaust gas return flow - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Ventil (34) zur Steuerung des Abgasrückflusses für einen Verbrennungsmotor (10), mit einem Ventilsitz und einem Ventilelement, das einen Ventilring aufweist, wobei das Ventilelement in geschlossenem Zustand mit dem Ventilsitz in Kontakt steht und in geöffnetem Zustand den Durchtritt des Abgases ermöglicht. Um ein Ventil (34) zu schaffen, bei dem die durch das Versotten während des Fahrzeugbetriebs auftretenden Probleme auf einfache und kostengünstige Weise reduziert oder vermieden werden, ist wenigstens der Ventilsitz oder das Ventilelement im Bereich der Kontaktfläche mit einer niederenergetischen Beschichtung versehen.The present invention relates to an exhaust gas recirculation control valve (34) for an internal combustion engine (10), comprising a valve seat and a valve member having a valve ring, the valve member being in closed contact with the valve seat and in the open condition allows the passage of the exhaust gas. In order to provide a valve (34) in which the problems arising from the soaking during vehicle operation are reduced or avoided in a simple and cost-effective manner, at least the valve seat or the valve element is provided with a low-energy coating in the region of the contact surface.
Description
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Ventil zur Steuerung des Abgasrückflusses für einen Verbrennungsmotor, mit einem Ventilsitz und einem Ventilelement, das z. B. einen Ventilring aufweist, wobei das Ventilelement in geschlossenem Zustand mit dem Ventilsitz in Kontakt steht und in geöffnetem Zustand den Durchtritt des Abgases ermöglicht.The The present invention is concerned with a valve for control the exhaust gas reflux for an internal combustion engine, with a valve seat and a valve element, the z. B. a valve ring , wherein the valve element in the closed state with the Valve seat is in contact and in the open state Passage of the exhaust gas allows.
Im Zusammenhang mit den zunehmenden Anforderungen an Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren werden zur externen Abgasrückführung (AGR) verschiedene Komponenten eingesetzt, beispielsweise AGR-Ventile und AGR-Kühler. Als AGR- oder Bypassventile kommen unterschiedliche Ventiltypen zum Einsatz, wie zum Beispiel Schieberventile oder Drehklappenventile. Für eine möglichst hohe Effizienz ist eine genaue Ansteuerung des Ventilelements zum Einstellen des gewünschten Öffnungsquerschnittes erforderlich, wobei vor allem die Dichtigkeit in geschlossenem Zustand und die exakte Einhaltung der kleineren Öffnungsspalte angestrebt wird. Die in dem zurückgeführten Abgas enthaltenen Stoffe in gasförmiger, flüssiger und fester Form führen dazu, dass es aufgrund chemisch-physikalischer Vorgänge unter bestimmten Bedingungen zur Bildung koksähnlicher Ablagerung an den abgasführenden Oberflächen kommt. Die Bildung koksähnlicher Ablagerung ist auch als Versotten bekannt und wird auch mit den Begriffen Coking oder Fueling bezeichnet. Die Ablagerungen führen zur Beeinträchtigung der Funktionsweise der verschiedenen AGR-Komponenten, beispielsweise zum Verkleben des AGR-Ventils oder des Bypass-Ventils für den AGR-Kühler. Das Verkleben des AGR-Ventils führt dazu, dass es nicht mehr geöffnet werden kann und kein Abgas in den Zylinder zurückgeführt werden kann und es so zu einer Erhöhung der Schadstoffemission kommt (insbesondere NOx). Wenn das Ventil noch geöffnet werden kann, kommt es aufgrund des verringerten Querschnitts zu einer Verminderung des rückgeführten Abgasmassenstroms, was eine entsprechende Verschlechterung der Abgasemission zur Folge hat. Damit es aufgrund der Ablagerung und dem damit verbundenen Verkleben nicht zu einem Ausfall des Ventils kommt, werden größere Motoren, d. h. Motoren mit einem größeren Drehmoment, zur Steuerung des Ventilelements eingesetzt, wobei das Drehmoment vor allem im Anfangsbereich der Öffnungsbewegung erforderlich ist. Danach ist eher die Geschwindigkeit der Bewegung für eine präzise Ansteuerung notwendig. Die Stellmotoren mit größeren Drehmomenten bedeuten aber auch zwangsläufig höhere Herstellungskosten. Außerdem sind die Motoren mit größeren Drehmomenten in der Regel auch in ihren Abmessungen größer, was bei der zunehmenden Zahl der im Motorraum von Fahrzeugen unterzubringenden Komponenten zu Platzproblemen führt. Weiter hat sich gezeigt, dass es neben dem Verkleben auch zu einer Veränderung der Öffnungsquerschnitte kommen kann, was vor allem für das Einstellen geringer Öffnungsmaße nachteilig ist.In connection with the increasing demands on fuel consumption and emissions of vehicles with internal combustion engines, various components are used for external exhaust gas recirculation (EGR), such as EGR valves and EGR cooler. As EGR or bypass valves different valve types are used, such as slide valves or butterfly valves. For the highest possible efficiency, a precise control of the valve element for setting the desired opening cross-section is required, in particular, the tightness in the closed state and the exact compliance with the smaller opening gaps is desired. The substances contained in the recirculated exhaust gas in gaseous, liquid and solid form lead to the formation of coke-like deposits on the exhaust gas-carrying surfaces due to chemical-physical processes under certain conditions. The formation of coke-like deposit is also known as Versotten and is also referred to by the terms Coking or Fueling. The deposits lead to impairment of the operation of the various EGR components, for example, for bonding the EGR valve or the bypass valve for the EGR cooler. The sticking of the EGR valve means that it can no longer be opened and no exhaust gas can be returned to the cylinder, resulting in an increase in pollutant emission (in particular NO x ). If the valve can still be opened, due to the reduced cross-section, a reduction of the recirculated exhaust gas mass flow, resulting in a corresponding deterioration of the exhaust emission results. To prevent failure of the valve due to deposition and consequent sticking, larger motors, ie motors with a larger torque, are used to control the valve element, the torque being required above all in the initial range of the opening movement. After that, the speed of the movement is more necessary for precise control. The servomotors with larger torques but also inevitably mean higher production costs. In addition, the engines with larger torques are usually larger in size, which leads to space problems with the increasing number of components to be accommodated in the engine compartment of vehicles. It has also been shown that in addition to the bonding, a change in the opening cross-sections can occur, which is disadvantageous, above all, for setting small opening dimensions.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Ventil zu schaffen, das die durch das Versotten während des Fahrzeugbetriebs auftretenden Probleme auf einfache und kostengünstige Weise reduziert oder vermeidet.The Object of the present invention is therefore a valve to create that occurring by the mocking during vehicle operation Reduced problems in a simple and cost effective way or avoids.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Ventil der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Ventilsitz und/oder das Ventilelement wenigstens im Bereich Ihrer Kontaktflächen mit einer niederenergetischen Beschichtung versehen ist.According to the invention the problem solved by a valve of the type mentioned, wherein the valve seat and / or the valve element at least in Area of your contact surfaces with a low-energy Coating is provided.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils besteht darin, dass die niederenergetische Beschichtung die Ablagerung von Schmutzpartikeln und damit das Versotten reduziert. Entgegen der bisherigen Auffassung, dass eine derartige Beschichtung einer thermischen Belastung nicht standhält und bei zueinander beweglichen Teilen abgerieben wird, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine niederenergetische Beschichtung auch bei Ventilen der eingangs genannten Art dauerhaft realisierbar ist.Of the Advantage of the valve according to the invention exists in that the low energy coating prevents the deposition of Dirt particles and thus the Versotten reduced. Contrary to the Previous opinion that such a coating of a thermal Load can not withstand and moving to each other Parts rubbed off, has surprisingly been that a low-energy coating also in valves of initially mentioned type is permanently realizable.
Vorzugsweise weist die Beschichtung einen Lotusblüteneffekt auf, bei der aufgrund der Mikro- und Nano-Oberflächenstruktur ein Haften der Schmutzpartikel weitestgehend vermieden wird.Preferably the coating has a lotus blossom effect on due to the micro and nano surface structure Sticking the dirt particles is largely avoided.
Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Beschichtung
aus thermisch stabilen, metall-oxidischen Materialien besteht. Dadurch ist
gewährleistet, dass der gewünschte Effekt auch bei
höheren Motorbelastungen und den damit verbundenden höheren
Abgastemperaturen erhalten bleibt und eine separate Kühlung
des Ventils nicht erforderlich ist. Die metall-oxidischen Materialien
können beispielsweise durch Sol-Gel-Verfahren beziehungsweise über
reaktive Plasma-Abscheideprozesse (Niederdruck bzw. Atmosphärendurckplasma) hergestellt
werden. Die verschiedenen Materialsysteme und deren Applikationen
sind im Zusammenhang mit der Beschichtung von Einspritzdüsen
in der
Zweckmäßig weist die Beschichtung auch bei Temperaturen über 400°C eine niedrige Oberflächenenergie auf, wobei eine Beschichtung, die bei Temperaturen von 400°C bis 700°C eine niedrige Oberflächenenergie aufweist, besonders bevorzugt ist, da dieser Bereich den zu erwartenden Abgastemperaturen entspricht. Diese Anforderungen werden beispielsweise von Antihaftbeschichtungen auf der Basis von Ni-Coatings, keramischen Schichten auf ZrO2-Basis oder temperaturstabilen Mischoxiden (TiO2-SiO2 bzw. ZrO2-SiO2) auf Sol-Gel-Basis erfüllt. Die Oberflächenenergien liegen bei ca. 500–600°C bei < 30 mN/m. Die Schichten verhindern die Ablagerungen zwar nicht vollständig, jedoch platzen durch die geringere Haftung kohlenwasserstoffhaltige Ablagerungen ab gewissen Schichtdicken vom Substrat ab. Eine eventuell verbleibende dünne Ablagerungsschicht beeinträchtigt die Funktion der Komponente nicht.Suitably, the coating has a low surface energy even at temperatures above 400 ° C, wherein a coating having a low surface energy at temperatures of 400 ° C to 700 ° C, is particularly preferred because this range corresponds to the expected exhaust gas temperatures. These requirements are for example of non-stick coatings based on Ni coatings, ceramic layers ZrO 2 base or thermally stable mixed oxides (TiO 2 -SiO 2 or ZrO 2 -SiO 2 ) on a sol-gel basis met. The surface energies are approx. 500-600 ° C at <30 mN / m. Although the layers do not completely prevent the deposits, due to the lower adhesion, hydrocarbon-containing deposits burst from the substrate at certain layer thicknesses. Any remaining thin deposit layer does not affect the function of the component.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform mit einem Ventilring ist dieser mit der Beschichtung versehen, da sich dieser für das Aufbringen der Beschichtung besonders eignet.In a further preferred embodiment with a valve ring this is provided with the coating, as this for the application of the coating is particularly suitable.
Vorzugsweise ist der Ventilsitz im Bereich der Kontaktfläche mit der Beschichtung versehen, wobei dies alternativ oder zusätzlich zu der Beschichtung des Ventilringes vorgesehen ist. Jedoch sei angemerkt, dass bereits die Beschichtung eines der beiden Teile zu positiven Effekten führt.Preferably is the valve seat in the area of the contact surface with the Coating provided, this being an alternative or in addition is provided to the coating of the valve ring. However, be noted that already the coating of one of the two parts leads to positive effects.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich des Abgasstroms eine oxydationskatalytische Beschichtung vorgesehen. Da trotz einer niederenergetischen Beschichtung eine Ablagerung nie vollständig ausgeschlossen und vermieden werden kann, wird durch die katalytische Oxidation, die durch den Einbau katalytisch aktiver Übergangsmetalloxide in die PVD/CVD- oder Sol-Gel-Schichten erreicht wird, die Ablagerung verzögert. Im Betriebstemperaturbereich von 400–700°C können dadurch kohlenwasserstoff-basierte Ablagerungen katalytisch verbrannt werden. Bei einem AGR-Kühler im AGR-Strang muss gegebenenfalls periodisch das rückzuführende Abgas an diesem vorbeigeleitet werden, um in einem nachgeschalteten AGR-Ventil noch ausreichend hohe Abgastemperaturen für die katalytische Verbrennung sicherzustellen. Je nach Art und Größe der oxydationskatalytischen Beschichtung kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Oxidationskatalysators im Abgasstrang verzichtet werden oder dieser zumindest kleiner ausgeführt werden, was zu einer Reduzierung des Bauraums, des Gewichts und der Kosten führt.In A further preferred embodiment is in the area the exhaust stream provided an oxidation catalytic coating. Because despite a low-energy coating, a deposit never be completely excluded and avoided is catalytically by the catalytic oxidation, by the incorporation active transition metal oxides in the PVD / CVD or sol-gel layers is reached, the deposit is delayed. In the operating temperature range from 400-700 ° C can be hydrocarbon-based Deposits are burned catalytically. For an EGR cooler in the EGR line, if necessary, the period to be recirculated must be periodic Exhaust gas to be routed past this in order to be in a downstream EGR valve still sufficiently high exhaust gas temperatures for to ensure the catalytic combustion. Depending on the type and size The oxidation catalytic coating may be based on the use of a dispensed additional oxidation catalyst in the exhaust system be or at least be made smaller, resulting in a reduction in space, weight and cost leads.
Vorzugsweise sind der Ventilsitz oder das Ventilelement im Bereich der Kontaktfläche mit einer oxydationskatalytischen Beschichtung versehen, wobei dann das jeweils andere Teil mit der niederenergetischen Beschichtung versehen ist. Sollte es zu einem Defekt an der niederenergetischen Beschichtung kommen, sorgt bereits die oxydationskatalytische Beschichtung für ein verringertes Versotten im Bereich des Ventils.Preferably are the valve seat or the valve element in the region of the contact surface provided with an oxidation catalytic coating, in which case the other part with the low-energy coating is provided. Should there be a defect in the low-energy Coating already provides the oxidation catalytic coating for a reduced spotting in the area of the valve.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilelement schwenkbar gehalten, da eine Feindosierung mit einer rotatorischen Bewegung wesentlich besser zu erreichen ist als beispielsweise bei einem Schieberventil.In A preferred embodiment is the valve element pivotally held, as a fine dosage with a rotary Movement is much better to achieve than, for example, one Slide valve.
Vorzugsweise ist das Ventilelement ein Drehventil, wobei sich ein Drosselklappenventil mit einer mittigen Drehachse besonders eignet, da hier neben der Feindosierung aufgrund der zweigeteilten Öffnung auch ein besonders schnelles Öffnen des maximalen Querschnitts möglich ist.Preferably the valve element is a rotary valve, which is a throttle valve with a central axis of rotation is particularly suitable because here next to the Fine dosage due to the two-part opening also a particularly fast opening of the maximum cross section possible is.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.following will be closer to the attached drawing an embodiment of the invention received.
In
der Fig. ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors
Das
Abgas der Zylinder
Zur
Rückführung des Abgases zu den Zylindern
Das
AGR-Ventil
Um
ein Versotten, oder ein Verkleben des Ventils
Die Beschichtung besteht aus thermisch stabilen metall-oxidischen Materialien, so dass die Beschichtung auch bei Temperaturen über 400°C, vorzugsweise bis 700°C, eine niedrige Oberflächenenergie aufweist.The Coating consists of thermally stable metal-oxide materials, so that the coating even at temperatures above 400 ° C, preferably up to 700 ° C, a low surface energy having.
Da
eine Ablagerung von Abgaspartikeln auch bei einer niedrigenergetischen
Beschichtung nicht vollständig ausgeschlossen werden kann,
ist zusätzlich im Bereich der Abzweigung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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