DE102012215221B4

DE102012215221B4 - Abgasrückführungssystem mit einem über aktives Material betätigten Bypass

Info

Publication number: DE102012215221B4
Application number: DE102012215221.0A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; Patrick G. Szymkowicz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: US9097214B2; DE102012215221A1; US20130055991A1

Abstract

Abgasrückführungs-System (10), das zur Verwendung durch einen Verbrennungsmotor (100), der einen Einlass (100a) umfasst und ein Abgas erzeugt, und zum selektiven Rückführen zumindest eines vorwiegenden Anteils von Abgas zurück zu dem Einlass (100a) angepasst ist, wobei das System umfasst:einen AGR-Kühler (12), der fluidtechnisch mit dem Einlass (100a) und dem Anteil des Abgases gekoppelt ist;einen Bypass (14) mit einem Rohr (18), das fluidtechnisch mit dem Einlass (100a) und dem Anteil des Abgases gekoppelt und zwischen relativ geöffneten und geschlossenen Zuständen schaltbar ist, wobei die Zustände zusammenwirkend derart konfiguriert sind, dass entweder das Rohr (18) oder der Kühler (12) mit dem Einlass (100a) und dem Anteil gekoppelt sind, wobei der Bypass (14) ferner ein Ventil (24) aufweist, das zwischen einer ersten und zweiten Konfiguration schaltbar ist; undeinen Aktuator (16) aus aktivem Material, der so betätigbar ist, dass er eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft, wenn er einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem verdeckt ist, erfährt und kommunikativ mit dem Bypass (14) gekoppelt ist, so dass die Änderung ein Schalten des Bypasses (14) zwischen dem geöffneten und geschlossenen Zustand bewirkt, wobei der Aktuator (16) treibend mit dem Ventil (24) gekoppelt ist, so dass die Änderung ein Verstellen des Ventils (24) zwischen den Konfigurationen bewirkt und das Verstellen des Ventils (24) zwischen Konfigurationen den geöffneten und geschlossenen Zustand bewirkt; dadurch gekennzeichnet , dassder Aktuator (16) aus aktivem Material aus einem Formgedächtnislegierungsdraht besteht, der durch einen von dem Motor (100) definierten Kühlmittelkanal geführt ist, um so durch darin zirkulierendes Kühlmittel eines Motorkühlers aktiviert zu werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführungs-(AGR-)System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der EP 1 555 421 A2 bekannt ist.
Ähnliche AGR-Systeme gehen ferner aus den Druckschriften US 2009 / 0 308 363 A1 und DE 103 21 638 A1 hervor. Ferner beschreibt die US 7 607 634 B2 ein Rohr aus einem Formgedächtnispolymer, dessen Querschnitt in Anhängigkeit der Temperatur variiert.
Beschreibung des Standes der Technik
Abgasrückführungssysteme sind entwickelt worden, um schädliche Emissionen, die durch Verbrennungsmotoren bewirkt werden, zu reduzieren, und insbesondere, um NO_x-Emissionen von Dieselmotoren zu reduzieren. Sie funktionieren allgemein durch Rückführung von zumindest einem Anteil des Abgases zurück zu dem Motor nach Kühlen des Anteils durch mehrere Kanäle, die durch einen AGR-Kühler definiert sind. Unter den Primärfaktoren, die ihren Wirkungsgrad beeinflussen, gibt es die AGR-Verschmutzung (d.h. die Ansammlung von Asche und Ruß entlang der Innenwände des Kühlers). Die AGR-Verschmutzung stellt während des Motorstarts aufgrund der Neigung großer Wasserstoffpartikel zur Ansammlung an den kalten oder nicht erhitzten Wänden des Kühlers ein besonderes Problem dar. Die Verschmutzung ihrerseits trägt zu anderen Problemen bei, einschließlich erhöhten Emissionen, beeinträchtigter Motorleistung und AGR-Schaden, der durch Überhitzung aufgrund der angesammelten, einen thermischen Widerstand besitzenden Schicht bewirkt wird.
Es sind verschiedene Verfahren implementiert worden, um einer Verschmutzung entgegenzuwirken, einschließlich Manipulieren der Abgasgeschwindigkeit und Verwenden eines oxidierenden Katalysators und/oder Filters; jedoch haben diese Maßnahmen verschiedene Probleme gezeigt, die deren Anwendung und Wirksamkeit beschränken. Beispielsweise sei angemerkt, dass die Gasgeschwindigkeitsmanipulation nach einem Sintern und für Partikel mit Nanogröße ineffektiv ist; und der Zusatz eines Katalysators und Filters bewirkt einen wesentlichen Druckabfall, der die Motorleistung beeinflussen kann. Jüngst ist ein Bypasskanal implementiert worden, um das Abgas während des Starts weg von dem AGR-Kühler umzulenken; jedoch verlassen sich diese Maßnahmen auf Sensoren, zugeordnete elektrische Verbindungen und eine Leistungsquelle, um die Motortemperatur aus dem Kühlmittel des Motorkühlers zu bestimmen und den Bypass zu manipulieren. Infolgedessen weisen diese ebenfalls Probleme in Verbindung mit der zusätzlichen Anzahl von Teilen, den Kosten, der Komplexität sowie den Einbauanforderungen, die damit zugeordnet sind, auf.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
In Ansprechen auf die vorher erwähnten Probleme weist die vorliegende Erfindung einen über aktives Material betätigten, bevorzugt temperaturgesteuerten AGR-Bypasskanal auf, der zur Reduzierung von Verschmutzung nützlich ist und somit die Wirksamkeit und Lebensdauer von AGR-Kühlern erhöht, während der Bedarf nach Sensoren, elektrischen Verbindungen und separaten Energieversorgungen beseitigt wird. Bei Motorstart ist die Erfindung zur Beschleunigung eines Aufwärmens des Motors und somit bei der Reduzierung der Zeitdauer einer unvollständigen Verbrennung nützlich, wobei eine unvollständige Verbrennung ein bekannter Nachteil für die Motorleistung ist. Durch Verwendung einer autonomen temperaturbasierten Betätigung über aktives Material ist die Erfindung ferner zur Reduzierung von Kosten, Komplexität und Einbauanforderungen nützlich, während die Robustheit im Vergleich zu herkömmlichen Bypasssystemen erhöht ist.
Allgemein betrifft die Erfindung ein AGR-System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Weitere erfindungsgemäße Aspekte des Systems, das Moden passiver Betätigung, variable Konfigurationen mit aktivem Material und beispielhafte Anwendungen betrifft, sind hier dargestellt. Die oben beschriebenen und weiteren Merkmale sind durch die folgende Figur und die detaillierte Beschreibung beispielhaft dargestellt.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welcher:

1 eine Ansicht eines AGR-Systems mit einem AGR-Kühler und eines Bypassrohr, das alternativ mit einem Motor gekoppelt ist, und ferner mit einem Schwingverschlussventil und einem Formgedächtnislegierungsaktuator, der treibend mit dem Ventil gekoppelt ist, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein AGR-System 10, das zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor 100 angepasst ist, der einen Einlass 100a (1) umfasst, und insbesondere zur Verwendung mit einem Dieselmotor geeignet ist. Das System weist allgemein einen AGR-Kühler 12 und einen Bypass 14 auf, der einen Aktuator oder ein Element 16 aus aktivem Material umfasst. Wie zuvor beschrieben wurde, dient der AGR-Kühler 12 herkömmlich dazu, einen Anteil des Abgases E von dem Motor 100 zurück zu dem Einlass 100a nach Kühlen des Anteils und Mischen mit einer Frischluftquelle (1) rückzuführen, um so mehrere Vorteile zu bewirken, einschließlich geringeren schädlichen Emissionen und einem schnelleren Erwärmen des Motors, wie vorher beschrieben wurde. In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines AGR-Systems 10, die eine Formgedächtnislegierung und ein Formgedächtnispolymer verwendet, um den Bypass 14 auszulösen, dargestellt; jedoch liegt es sicherlich innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, die festgelegten aktiven Materialien in anderen Konfigurationen (z.B. anderen Ventilanordnungen, Bypasskonfigurationen, etc.) zu verwenden oder andere aktive Materialien (z.B. elektroaktives Polymer, piezoelektrische Verbundstoffe etc.) zum bedarfsgerechten Gebrauch zu verwenden. Überdies sei angemerkt, dass ein variabel (d.h. mit mehr als einem geöffneten Zustand, etc.) betätigter Bypass 14 implementiert sein kann und dass ein Aktuator 16 mit variablem Hub entsprechend verwendet werden kann.
Wie in den veranschaulichten Ausführungsformen gezeigt ist, weist der Bypass 14 ein Bypassrohr 18 auf, das mit dem Motor 100 gekoppelt und insbesondere fluidtechnisch zwischen den Abgasdurchlass/die Abgasdurchlässe 100b, die durch den Motor definiert sind, und den Einlass 100a gekoppelt ist. Das bevorzugte Rohr 18 und der Kühler 12 bieten parallele Pfade für den rückgeführten Anteil des Abgases und sind alternativ mit dem Motor 100 verbunden; jedoch sei angemerkt, dass die beiden Pfade offen bleiben können, wobei das Rohr 18 und der Kühler 12 zusammenwirkend konfiguriert sind, um den Anteil nach Bedarf zu fördern. Das Rohr 18 besitzt eine geeignete Haltbarkeit und Beständigkeit und definiert einen Kanal 20 mit geeigneter Querschnittsfläche, um das Abgas über die beabsichtigte Anzahl von Zyklen ohne Druckaufbau zu fördern. Wie in den veranschaulichten Ausführungsformen gezeigt ist, definieren das Rohr 18 und der Kühler 12 zusammenwirkend eine Zufluss-T-Verbindung oder divergente Verzweigungen, wobei der rückgeführte Anteil des Abgases E einen der beiden Pfade nehmen kann. Genauer mündet das Rohr 18 in eine Kühlerzufuhrleitung 22, die vorausgeht und Abgas in den Kühler 12 zuführt, so dass das Rohr 18 und die Leitung 22 zusammenwirkend eine Kreuzung I (1) definieren.
In 1 weist der Bypass 14 ferner ein Steuerventil 24 und genauer ein schwenkendes Schwingverschlussventil 24 auf, das bevorzugt an der Kreuzung positioniert ist. Das Ventil 24 ist relativ zu der Leitung 22 und dem Rohr 18 bemessen und konfiguriert, so dass in der ersten Orientierung (in kontinuierlicher Linie in 1 gezeigt ist) das Rohr 18 zunehmend verdeckt ist und in einer zweiten Orientierung (z.B. orthogonal zu der ersten, wie gezeigt ist) die Leitung 22 zunehmend verdeckt ist. Somit dienen die erste und zweite Orientierung dazu, relativ geöffnete und geschlossene Bypasszustände und bevorzugt vollständig geöffnete und geschlossene Zustände zu bewirken, wobei der Begriff „vollständig“ geöffnet oder geschlossen angibt, dass nur eine vernachlässigbare (z.B. kleiner als 5 % der) Strömung verdeckt bzw. gefördert wird. Bevorzugter bildet das Ventil 24 eine Dichtung mit dem Rohr 18 oder der Leitung 22 in dem geschlossenen Zustand. Es sei angemerkt, dass das Ventil 24 in dem Inneren der längsgerichteten Länge des Rohrs 18 oder der Leitung 22 positioniert sein kann, wobei das entgegengesetzte stets geöffnet ist; in dieser Konfiguration sind das Rohr 18 und die Leitung 22 gemeinsam so konfiguriert, dass der rückgeführte Anteil nach Bedarf strömt, wenn das Ventil 24 offen ist.
Bei dieser Ausführungsform wird der Aktuator 16 aus aktivem Material dazu verwendet, das Ventil 24 zwischen der ersten und zweiten Orientierung anzutreiben, und ist ein Formgedächtnislegierungsdraht (1). Der Draht 16 kann durch Jouleerwärmung über Programmlogik beim Start des Fahrzeugladesystems (z.B. Batterie) und Controller (nicht gezeigt) aktiviert werden oder kann thermisch mit dem Motor 100 gekoppelt sein, um so passiv aktiviert zu werden. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Draht 16 durch einen Kühlmittelkanal geführt, der durch den Motor 100 definiert ist (in 1 mit gestrichelter Linie gezeigt), um so durch das darin zirkulierende Kühlmittel des Motorkühlers aktiviert zu werden. Hier dient das System 10 autonom dazu, Abgase direkt zurück an die Brennräume zu senden (anstatt durch den AGR-Kühler), wenn die Motortemperatur niedrig ist (z.B. beim Start). Bevorzugter wird ein Bogensehen-SMA-Draht 16 dazu verwendet, einen mechanischen Vorteil auf Grundlage der trigonometrischen Beziehung bereitzustellen, die durch den Draht 16 definiert ist. Wie vorher erwähnt wurde, kann ein Mehr-Draht-Aktuator 16 verwendet werden, um mehrere Hübe und variable Bypassbedingungen zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von SMA-Drähten mit unterschiedlichen Querschnittsflächen oder Zusammensetzungen, um so verschiedene Umwandlungstemperaturen zu bewirken, treibend mit dem Ventil 24 verbunden sein, so dass, wenn sich der Motor 100 aufwärmt, die Drähte 16 nacheinander aktiviert werden, um die Abgasströmung inkrementell zu der kälteren 12 zu erhöhen. Es sei zu verstehen, dass der SMA-Aktuator-„Draht“ eine mehrerer geometrischer Formen besitzen kann, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Feder, Streifen, Schlauch, Kabel, Flechtung, Verwebung und Wirkware.
Ein Rückführmechanismus 26 ist bevorzugt mit dem Ventil 24 entgegenwirkend dem Aktuator 16 gekoppelt und dient dazu, das Ventil 24 in die ursprüngliche Orientierung rückzuführen (z.B. geöffneter Zustand des Bypasses 14). Beispielsweise kann eine Zugfeder 26 mit dem Schwingverschluss 24 entgegengesetzt dem Draht 16 gekoppelt sein, wie in 1 gezeigt ist; oder eine Torsionsfeder kann koaxial mit der Schwenkachse des Verschlusses 24 ausgerichtet sein. Die Feder 26 weist eine Federkonstante auf, die in der Lage ist, den Draht 16 zu überwinden und zu dehnen, wenn er sich in dem martensitischen Zustand befindet, jedoch nicht die Aktivierungskraft, die während der Umwandlung von Martensit zu Austenit erzeugt wird. Schließlich ist bevorzugt ein Überlastschutz (nicht gezeigt) vorgesehen, um dem Draht 16 einen alternativen Ausgangspfad zu bieten, wenn im aktiven Zustand und das Ventil 24 nicht zur Verstellung in der Lage ist (aufgrund von Verschmutzung, Behinderung, Schaden etc.).
Der hier verwendete Begriff „aktives Material“ ist als diejenigen Materialien oder Verbundstoffe definiert, die eine reversible Änderung einer grundlegenden (d.h. chemischen oder intrisischen physikalischen) Eigenschaft aufweisen, wenn sie einem Aktivierungssignal ausgesetzt sind oder von diesem ausgeschlossen werden. Geeignete aktive Materialien für den Gebrauch mit der vorliegenden Erfindung weisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Formgedächtnismaterialien auf, die die Fähigkeit haben, sich an ihr ursprüngliches zumindest ein Attribut, wie die Form, zu erinnern, das anschließend durch Anlegen eines externen Reizes wieder abgerufen werden kann. Somit ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein temporärer Zustand. Auf diese Weise können sich Formgedächtnismaterialien in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern. Geeignete Formgedächtnismaterialien umfassen die vorstehend genannten Formgedächtnislegierungen (SMA) und Formgedächtnispolymere (SMP) sowie Formgedächtniskeramiken, elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMA, elektrorheologische (ER) Zusammensetzungen, magnetorheologische (MR) Zusammensetzungen, dielektrische Elastomere, lonen-Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe (IPMC), piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien und dergleichen.
Andere aktive Materialien, die variable Grade an Bearbeitbarkeit aufweisen, einschließlich MR/ER-Fluiden, scherverdünnenden Fluiden und elektroaktiven Gels, können ebenfalls verwendet werden.
Formgedächtnislegierungen (SMA) bezeichnen im Allgemeinen eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit zeigen, zu einer gewissen vorher festgelegten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenübergänge zu vollführen, in denen ihre Streckgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen bei der Niedertemperatur- oder Martensitphase pseudo-plastisch verformt werden, und nachdem sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt werden, werden sie sich zur Austenitphase oder Elternphase transformieren, wobei sie zu ihrer Form vor der Verformung zurückkehren.
Formgedächtnislegierungen existieren in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der folgenden Beschreibung bezeichnet die Martensitphase im Allgemeinen die verformbarere Phase niedrigerer Temperatur, wogegen die Austenitphase im Allgemeinen die starrere Phase höherer Temperatur bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen einsetzt, wird häufig als Austenit-Starttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.
Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und gekühlt wird, beginnt sie, in die Martensitphase zu wechseln, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen einsetzt, wird als die Martensit-Starttemperatur (M_s) bezeichnet.
Die Temperatur, bei der Austenit das Wechseln zu Martensit beendet, wird als die Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das vorhergehende ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größenordnung, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der Verarbeitungshistorie einen Formgedächtniseffekt in einer Richtung bzw. Ein-Weg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zweiweg-Effekt oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen bzw. Zwei-Weg-Formgedächtniseffekt aufweisen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird den Übergang der Art von Martensit nach Austenit induzieren und das Material wird seine ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und es ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, um die Form in ihre vorherige Konfiguration zurückzubilden.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch sowohl einen Formübergang beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase sowie einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase aus. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, den Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedertemperatur- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über eine hohe Zahl von thermischen Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form zurückzubilden.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung bei Erwärmung an ihre Hochtemperaturform erinnert, kann durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100 °C auf unter etwa -100 °C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt, und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupfer-Basis (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-AluminiumLegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Somit ist für die Zwecke dieser Erfindung anzumerken, dass SMAs für diese Erfindung einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8 % (je nach Betrag der Vorverformung) zeigen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden. Es ist festzustellen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenänderungen in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (wie etwa eine Feder) erforderlich sein würde, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld weggenommen wird. Ein Joule'sches Erwärmen kann verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen. Spannungsinduzierte Phasenänderungen der SMA sind aber von Natur aus Zweiwege-Änderungen. Das Anlegen einer ausreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer austenitischen Phase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihre martensitische Phase mit niedrigerem Modul umwandelt, in der sie eine „superelastische“ Verformung von bis zu 8 % zeigen kann. Die Wegnahme der angelegten Spannung wird bewirken, dass sich die SMA in ihre austenitische Phase zurückstellt und dabei ihre Ausgangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Ferromagnetische SMA (FSMA), die eine Unterklasse von SMA sind, können in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Diese Materialien verhalten sich wie herkömmliche SMA-Materialien, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit zeigen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/den Anteil von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Formgedächtnis in zwei Richtungen, ein partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung zeigen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Reiz, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein perfektes Formgedächtnis in zwei Richtungen kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagnete mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, wenngleich für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Formgedächtnispolymere (SMP) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in irgendeine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz ausgesetzt werden. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenübergänge zu vollführen, bei denen ihre Form als Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen weisen SMP zwei Hauptsegmente auf, nämlich ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann durch Schmelzen oder verarbeiten des Polymers bei einer höheren Temperatur als der höchste thermische Übergang gefolgt von einem Kühlen unter diese thermische Übergangstemperatur eingestellt werden. Der höchste thermische Übergang ist üblicherweise die Glasübergangstemperatur (T_g) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann eingestellt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die T_g oder die Übergangstemperatur des weichen Segments aber niedriger ist als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird eingestellt, während das Material über der Übergangstemperatur des weichen Segments verarbeitet wird, gefolgt von einem Kühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgeführt werden, indem das Material über die Übergangstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
Beispielsweise kann die permanente Form des Polymermaterials ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gerade gerichtete Form aufweist und eine erste Länge definiert, während die temporäre Form ein ähnlicher Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist als die erste. In einer anderen Ausführungsform kann das Material eine Feder darstellen, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Modul, wenn sie deaktiviert ist.
Die Temperatur, welche zur Wiederherstellung der permanenten Form erforderlich ist, kann auf eine beliebige Temperatur zwischen etwa -63°C und etwa 120°C oder darüber eingestellt werden. Das Konstruieren der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa -30°C, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50°C. Ebenfalls ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung geringer als oder gleich etwa 120°C und am stärksten bevorzugt geringer als oder gleich etwa 120°C und größer als oder gleich etwa 80°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, warmhärtende Materialien, sich gegenseitig durchdringende Netze, sich gegenseitig halbdurchdringende Netze oder vermischte Netze. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zur Bildung eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere hiervon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele von anderen geeigneten Polymeren schliessen ein: Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsesquioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadiencopolymere, Polyurethanblockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere und dergleichen.
Somit ist zu Zwecken dieser Erfindung festzustellen, dass SMP einen drastischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasübergangstemperatur ihres Bestandteils hinaus erwärmt werden, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist. Wenn die Belastung/Verformung aufrecht erhalten wird, während die Temperatur abfallen gelassen wird, wird die verformte Form in dem SMP festgelegt, bis es wieder erwärmt wird, während es nicht unter Last steht, unter welcher Bedingung es in die Form wie bei der Formung zurückkehren wird. Während SMPs verschieden in Block-, Tafel-, Fliesen-, Gitter-, Fachwerk-, Faser- oder Schaumformen verwendet sein können, erfordern sie, dass ihre Temperatur über der Glasübergangstemperatur ihres Bestandteils liegt, der eine geringere Glasübergangstemperatur besitzt, d.h. einen kontinuierlichen Leistungseingang in einer Niedertemperaturumgebung, um in ihrem Zustand mit geringerem Modul zu bleiben.
Bariumtitanate und Bismuttitanate sind übliche Typen von piezoelektrischer Keramik. Modifizierte Bariumtitanat-Zusammensetzungen kombinieren Hochspannungsempfindlichkeit mit Temperaturen im Bereich von -10 °C bis 60 °C. Piezoelektrische Bariumtitanat-Keramiken sind nützlich für Unterwasserschallempfänger und andere Empfangsvorrichtungen. Diese piezoelektrischen Keramiken werden auch in Projektoren mit niedriger Leistung verwendet. Bismuttitanate werden in Hochtemperaturanwendungen wie z. B. Drucksensoren und Beschleunigungsmessern verwendet. Bismuttitanat gehört zur Gruppe von Keramiken auf Sillenitstrukturbasis (Bi_i2MO₂O, wobei M=Si, Ge, Ti).

Claims

Abgasrückführungs-System (10), das zur Verwendung durch einen Verbrennungsmotor (100), der einen Einlass (100a) umfasst und ein Abgas erzeugt, und zum selektiven Rückführen zumindest eines vorwiegenden Anteils von Abgas zurück zu dem Einlass (100a) angepasst ist, wobei das System umfasst: einen AGR-Kühler (12), der fluidtechnisch mit dem Einlass (100a) und dem Anteil des Abgases gekoppelt ist; einen Bypass (14) mit einem Rohr (18), das fluidtechnisch mit dem Einlass (100a) und dem Anteil des Abgases gekoppelt und zwischen relativ geöffneten und geschlossenen Zuständen schaltbar ist, wobei die Zustände zusammenwirkend derart konfiguriert sind, dass entweder das Rohr (18) oder der Kühler (12) mit dem Einlass (100a) und dem Anteil gekoppelt sind, wobei der Bypass (14) ferner ein Ventil (24) aufweist, das zwischen einer ersten und zweiten Konfiguration schaltbar ist; und einen Aktuator (16) aus aktivem Material, der so betätigbar ist, dass er eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft, wenn er einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem verdeckt ist, erfährt und kommunikativ mit dem Bypass (14) gekoppelt ist, so dass die Änderung ein Schalten des Bypasses (14) zwischen dem geöffneten und geschlossenen Zustand bewirkt, wobei der Aktuator (16) treibend mit dem Ventil (24) gekoppelt ist, so dass die Änderung ein Verstellen des Ventils (24) zwischen den Konfigurationen bewirkt und das Verstellen des Ventils (24) zwischen Konfigurationen den geöffneten und geschlossenen Zustand bewirkt; dadurch gekennzeichnet , dass der Aktuator (16) aus aktivem Material aus einem Formgedächtnislegierungsdraht besteht, der durch einen von dem Motor (100) definierten Kühlmittelkanal geführt ist, um so durch darin zirkulierendes Kühlmittel eines Motorkühlers aktiviert zu werden.
Abgasrückführungs-System nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (16) derart konfiguriert ist, mehrere Hübe zu erzeugen, und der Bypass (14) derart konfiguriert ist, variable geöffnete Zustände zu erreichen.
Abgasrückführungs-System nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (16) aus einem thermisch aktivierten aktiven Material besteht und relativ zu dem Motor (100) konfiguriert ist, um so dadurch passiv aktiviert zu werden.
Abgasrückführungs-System nach Anspruch 1, ferner mit: einem Rückstellmechanismus (26), der treibend mit dem Rohr (18) entgegenwirkend dem Aktuator (16) gekoppelt ist und dazu dient, den Bypass (14) zwischen dem geschlossenen und geöffneten Zustand reversibel zu schalten.