DE102010050322B4

DE102010050322B4 - Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010050322B4
Application number: DE201010050322
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Hüsges; Hans-Ulrich Kühnel
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2030-11-06
Also published as: DE102010050322A1

Abstract

Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Klappengehäuse (2), in dem ein durchströmbarer Kanal (4) ausgebildet ist, einem Klappenkörper (10), der drehbar auf einer Klappenwelle (8) angeordnet und über die Klappenwelle (8) im Kanalgehäuse (2) gelagert ist, einem Aktuator (16), über den die Klappenwelle (8) betätigbar ist und einem Massenstromsensor, der stromaufwärts des Klappenkörpers (10) im Kanal (4) angeordnet ist, wobei der Massenstromsensor im Wesentlichen senkrecht zur Klappenwelle (8) durch das Klappengehäuse (2) in den Kanal (4) ragt dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstromsensor ein Abgasmassenstromsensor (32) ist, der bei geringer Öffnung des Klappenkörpers (10) gegenüber einer ersten Klappenhälfte (12) des Klappenkörpers (10) angeordnet ist, welche beim Öffnen in Richtung der Strömung gedreht und somit vom Abgasmassenstromsensor (32) wegbewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Klappengehäuse, in dem ein durchströmbarer Kanal ausgebildet ist, einem Klappenkörper, der drehbar auf einer Klappenwelle angeordnet und über die Klappenwelle im Kanalgehäuse gelagert ist, einem Aktuator, über den die Welle betätigbar ist und einem Massenstromsensor, der stromaufwärts des Klappenkörpers im Kanal angeordnet ist, wobei der Massenstromsensor im Wesentlichen senkrecht zur Klappenwelle durch das Klappengehäuse in den Kanal ragt.
In Verbrennungskraftmaschinen ist es zur Regelung der Strömungsmengen der vorhandenen Gasmassen erforderlich, Ventile und Klappen in Abhängigkeit von berechneten oder direkt gemessenen Massenströmen zu verstellen. Auf diese Weise werden optimale Bedingungen bei der Verbrennung erzielt, wodurch der Wirkungsgrad des Motors erhöht und entstehende Abgasemissionen reduziert werden.
Zur Messung der vorhandenen Massenströme haben sich vor allem nach der Heißfilmanemometrie arbeitende Sensoren zur Bestimmung eines Luftmassenstroms oder eines Abgasmassenstroms als besonders zuverlässig und exakt erwiesen. Diese werden üblicherweise in Bohrungen eines Kanalgehäuses eingesetzt, welche anschließend abgedichtet werden müssen. Bekannt ist es auch die Luftmassenstromsensoren in ein Kanalgehäuseteil vorzumontieren und dieses anschließend an weiterführende Kanalteile anzuflanschen, wodurch jedoch zusätzliche Dichtungsstellen entstehen.
Die Funktionsweise von Abgasmassenstromsensoren ist beispielsweise aus der DE 10 2005 061 533 B4 der Anmelderin bekannt. Sie sind weitestgehend unempfindlich gegen Ruß und andere Verschmutzungen im Abgas, da diese Verschmutzungen abgebrannt werden können.
Eine besondere Anordnung eines Luftmassenstromsensors ist aus der DE 20 2007 004 381 U1 bekannt. Hier ist der Luftmassenstromsensor in ein Drosselklappengehäuse integriert. Dieser ist parallel zu Drosselklappenwelle angeordnet und dient zur Erzeugung elektrischer Signale in Abhängigkeit der Schwingung der Gassäule im Kanal. Hieraus gewinnt eine nachgeschaltete Motorsteuereinheit Informationen über die Drehzahl und Kolbenwinkelstellung des Motors. Eine exakte Bestimmung eines Luftmassenstroms ist aufgrund der Anordnung im Kanal nicht möglich. Zwar können Bauteile durch die Integration eingespart werden, jedoch bleibt das Problem einer zuverlässigen Abdichtung im Bereich der Durchsteckbohrung durch die der Sensor in den Kanal ragt, erhalten. Aufgrund dessen besteht keine Eignung zur Verwendung einer derartigen Anordnung in einem Abgas führenden Kanal, wo eine Dichtigkeit erforderlich ist.
Des Weiteren sind aus der US 2003/0209229 A1 und der JP 09053482 A jeweils Drosselklappen für Luftansaugsysteme bekannt, vor denen ein Luftmassenmesser angeordnet ist. Dieser befindet sich jedoch in Entfernung zum Klappenkörper, so dass eine Luftmassenmessung bei geringer Öffnung der Drosselklappe stark fehlerbehaftet ist.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasregelvorrichtung bereitzustellen, mit welcher eine exakte Bestimmung eines vorhandenen Abgasmassenstroms ermöglicht wird, um die Stellung der Klappe in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms zu regeln, wobei die Dichtigkeitserfordernisse erreicht werden sollen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Massenstromsensor im Wesentlichen senkrecht zur Klappenwelle durch das Klappengehäuse in den Kanal ragt, wobei der Massenstromsensor ein Abgasmassenstromsensor ist, der bei geringer Öffnung des Klappenkörpers gegenüber einer ersten Klappenhälfte des Klappenkörpers angeordnet ist, welche beim Öffnen in Richtung der Strömung gedreht und somit vom Abgasmassenstromsensor wegbewegt wird, kann der Sensor zur präzisen, Messung des Abgasmassenstromes verwendet werden, da er auch bei fast geschlossener Klappe immer im durchströmten Bereich angeordnet ist und in diesem Abschnitt relativ geringe Verwirbelungen durch Strömungswiderstände bestehen. Zur weiteren Verbesserung der Messergebnisse ragt somit der Abgasmassenstromsensor an jener Seite durch das Klappengehäuse, an der die zugewandte Klappenhälfte des Klappenkörpers vom Abgasmassenstromsensor bei der Drehung der Klappenwelle wegbewegt wird. Dies verringert die vorhandenen Verwirbelungen im Bereich des Sensors, da der Abstand zum das Strömungshindernis bildendem Klappenkörper vergrößert wird. Gleichzeitig ermöglicht dies eine sehr kompakte Bauweise, da der Sensor in unmittelbarer Nähe zum Klappenkörper in geschlossener Position angeordnet werden kann.
Vorzugsweise arbeitet der Abgasmassenstromsensor nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie. Dies hat sich sowohl bei der Luftmassenstrommessung als auch bei der Abgasmassenstrommessung als die Methode herausgestellt, welche die zuverlässigsten Messwerte liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse des Abgasmassenstromsensors einstückig mit dem Klappengehäuse hergestellt, wodurch jegliche Abdichtung zwischen dem Sensor und dem Klappengehäuse entfallen kann. Insbesondere bei montagegespritzten Klappensystemen ist diese Ausführung einfach zu verwirklichen und führt zu einer Vereinfachung der Montage und einer Reduzierung der Anzahl der Bauteile. Zusätzlich entsteht eine Bauraum- und Gewichtsreduzierung.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist eine Elektronik des Aktuators mit einer Elektronik des Abgasmassenstromsensors gekoppelt. Somit kann ein intelligenter Klappenstutzen verwirklicht werden, bei dem das Ausgangssignal des Abgasmassenstromsensors direkt zur Steuerung des Klappenkörpers genutzt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse des Abgasmassenstromsensors um 90° gedreht zum Aktuatorgehäuse am Klappengehäuse angeordnet. Hierdurch ist ein separater Zugriff auf die Elektroniken des Aktuators und des Sensors möglich. Die Verbindungswege werden gekürzt.
In einer alternativen Ausbildung ist im Aktuatorgehäuse die Elektronik des Abgasmassenstromsensors integriert. Dies verringert erneut die Bauteileanzahl und den Platzbedarf. Auch entfallen zusätzliche Montageschritte.
In einer hierzu weiterführenden Ausführung sind die Verbindungsleitungen des Abgasmassenstromsensors vom Klappengehäuse umspritzt, wodurch diese vor äußeren Einflüssen geschützt sind, ohne zusätzliche Bauteile verwenden zu müssen.
Es wird somit eine Abgasregelvorrichtung geschaffen, welche genaue Messwerte für einen zu bestimmenden Abgasmassenstrom liefert und gleichzeitig klein und kompakt aufgebaut ist. Die Teileanzahl und die notwendigen Montageschritte werden im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasregelvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Abgasregelvorrichtung in perspektivischer Darstellung.
2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung gemäß 1 in geschnittener Darstellung.
Die erfindungsgemäße Abgasregelvorrichtung besteht aus einem Klappengehäuse 2, in welchem ein von Abgas durchströmbarer Kanal 4 ausgebildet ist. An zwei radial gegenüberliegenden Seiten des Kanals 4 sind im Klappengehäuse zwei Lagerstellen 6 ausgebildet, in denen eine Klappenwelle 8 drehbar gelagert ist. Auf der Klappenwelle 8 ist ein Klappenkörper 10 angeordnet, mittels dessen ein Abgasmassenstrom durch Drehung der Klappenwelle 8 im Kanal 4 geregelt werden kann, wobei die Klappenwelle 8 den Klappenkörper 10 in eine erste Klappenhälfte 12 und eine zweite Klappenhälfte 14 teilt.
Zur Erzeugung der Drehbewegung ist ein aus dem Klappengehäuse 2 ragendes Ende der Klappenwelle 8 mit einem Aktuator 16 verbunden, der aus einem Elektromotor 18 mit einem nicht dargestellten nachgeschaltetem Getriebe besteht. Das Getriebe ist wie auch die ebenfalls nicht dargestellte Elektronik des Aktuators 16 in einem Aktuatorgehäuse 20 angeordnet, welches einen Stecker 22 zur Verbindung mit einer Motorsteuereinheit aufweist und über einen Deckel 24 verschlossen wird. Der Elektromotor 18 ist über Schrauben 26 mit dem Aktuatorgehäuse 20 verbunden. Das vom Aktuatorgehäuse 20 entfernte Ende des Elektromotors 18 ist in einem Lagerbock 28 gelagert, der einstückig mit dem Klappengehäuse 2 ausgebildet ist. Der Elektromotor 18 erstreckt sich im eingebauten zustand parallel zur Klappenwelle 8.
An der zum Elektromotor 18 gegenüberliegenden Seite des Klappengehäuses 2 ist am Klappengehäuse 2 ein Gehäuse 30 eines Abgasmassenstromsensors 32 angeordnet. In diesem Gehäuse 30, welches über einen Deckel 34 verschlossen wird, ist die in den Figuren nicht sichtbare Elektronik des Abgasmassenstromsensors 32 angeordnet, die über einen Stecker 36 der am Gehäuse 30, ausgebildet ist, mit Strom versorgt wird.
Der Abgasmassenstromsensor 32 ragt erfindungsgemäß im Wesentlichen senkrecht zur Klappenwelle 8 durch das Klappengehäuse 2 stromaufwärts des Klappenkörpers 10 in den Kanal 4. Dies bedeutet, dass der Abgasmassenstromsensor 32 in dem Bereich angeordnet ist, in welchem bei geringer Öffnung des Klappenkörpers 10 ein Durchströmungsquerschnitt für das Abgas freigegeben wird und somit eine messbare Strömung entsteht. Dabei liegt der Abgasmassenstromsensor 32 gegenüber der ersten Klappenhälfte 12, welche beim Öffnen in Richtung der Strömung gedreht und somit vom Abgasmassenstromsensor 32 wegbewegt wird.
Der Abgasmassenstromsensor 32 ist ein nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitender Sensor, dessen zwei Heizdrähte 38 in den Figuren zu erkennen sind und dessen Funktionsweise dem Fachmann bekannt ist. Diese sind umgeben von einem Käfig 40, der im Wesentlichen zur Vergleichmäßigung der Strömung an den Heizdrähten 38 dient.
Vorteilhafterweise wird der Trägerkörper des Abgasmassenstromsensors 32 mit den elektrischen Verbindungsleitungen beim Spritzgießprozess der Klappengehäuses mit in die Form eingelegt, so dass das Sensorgehäuse 30 einstückig mit dem Klappengehäuse 2 hergestellt wird. Der Klappenkörper 10 kann dann im Folgenden durch Montagespritzen im Gehäuse hergestellt werden.
Die Messwerte des Abgasmassenstromsensors 32 können direkt zu Ansteuerung und Regelung der Klappe 10 genutzt werden. Dies kann entweder durch Verbindung der beiden Elektroniken mit dem Motorsteuergerät erfolgen oder die beiden Elektroniken des Abgasmassenstromsensors 32 und des Aktuators 16 werden direkt durch Verbindungsleitungen, die durch das Klappengehäuse 2 geführt werden miteinander verbunden.
Dies hat zur Folge, dass der Elektronik des Aktuators 16 über das Motorsteuergerät ein bestimmter Sollwert für den Abgasmassenstrom vorgegeben wird, wodurch über den Aktuator 16 die Klappenwelle 8 und somit der Klappenkörper 10 im Kanal 4 gedreht werden. Hierdurch wird ein Durchströmungsquerschnitt freigegeben. Die entstehende Strömung wird vom Abgasmassenstromsensor 32 aufgrund seiner Anordnung im Kanal 4 bereits bei kleinen Durchströmungsquerschnitten zuverlässig gemessen. Dieser Istwert wird wiederum an die Elektronik des Aktuators 16 als Rückmeldung gegeben, wodurch eine weitere Verstellung des Klappenkörpers 10 so lange erfolgen kann, bis der gewünschte Wert erreicht ist.
Die beschriebene Abgasregeleinrichtung weist keine Leckagen im Bereich der Sensordurchführung auf, was unter anderem die Kalibrierung der Abgasregeleinrichtung erleichtert. Des Weiteren liefert der Abgasmassenstromsensor zuverlässig gute Messergebnisse, die zur Einstellung des Aktuators genutzt werden können. Der vorhandene Teileaufwand ist im Vergleich zu bekannten Ausführungen reduziert. Es entsteht eine Gewichts- und Bauraumreduzierung. Der Montageaufwand ist verringert.
Es sollte deutlich sein, dass im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So kann die beschriebene Anordnung beispielsweise auch bei Leichtmetallklappengehäusen verwendet werden oder die Anordnung des Aktuators verändert werden. Weitere konstruktive Änderungen sind selbstverständlich ebenfalls denkbar.

Claims

Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Klappengehäuse (2), in dem ein durchströmbarer Kanal (4) ausgebildet ist, einem Klappenkörper (10), der drehbar auf einer Klappenwelle (8) angeordnet und über die Klappenwelle (8) im Kanalgehäuse (2) gelagert ist, einem Aktuator (16), über den die Klappenwelle (8) betätigbar ist und einem Massenstromsensor, der stromaufwärts des Klappenkörpers (10) im Kanal (4) angeordnet ist, wobei der Massenstromsensor im Wesentlichen senkrecht zur Klappenwelle (8) durch das Klappengehäuse (2) in den Kanal (4) ragt dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstromsensor ein Abgasmassenstromsensor (32) ist, der bei geringer Öffnung des Klappenkörpers (10) gegenüber einer ersten Klappenhälfte (12) des Klappenkörpers (10) angeordnet ist, welche beim Öffnen in Richtung der Strömung gedreht und somit vom Abgasmassenstromsensor (32) wegbewegt wird.
Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstromsensor (32) nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet.
Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) des Abgasmassenstromsensors (32) einstückig mit dem Klappengehäuse (2) hergestellt ist.
Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik des Aktuators (16) mit einer Elektronik des Abgasmassenstromsensors (32) gekoppelt ist.
Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) des Abgasmassenstromsensors (32) um 90° gedreht zum Aktuatorgehäuse (20) am Klappengehäuse (2) angeordnet ist.
Abgasregelvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Aktuatorgehäuse (20) die Elektronik des Abgasmassenstromsensors (32) integriert ist.
Abgasreglvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen des Abgasmassenstromsensors (32) vom Klappengehäuse (2) umspritzt sind.