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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zur Steuerung/Regelung einer Abgasrückführrate gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer derartigen Ventileinrichtung.
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Generell soll in modernen Kraftfahrzeugen eine erhöhte Abgasrückführung erfolgen, um dadurch NOx-Grenzwerte, die beispielsweise der EURO-6-Norm zugrunde liegen, herabsetzen bzw. einhalten zu können. Zugleich kann bei Ottomotoren auch eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs im Teillastbereich erzielt werden. Die Senkung der NOx-Emissionswerte durch eine reine Abgasnachbehandlung, beispielsweise durch einen SCR-Katalysator, hat sich dabei jedoch als nicht ausreichend herausgestellt. Aus diesem Grund sind bereits vielfältige Hochdruckabgasrückführsysteme im Einsatz, die jedoch beispielsweise bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einen dem Abgasturbolader zur Verfügung stehenden Abgasmassenstrom reduzieren, wodurch dieser nur zur Erbringung einer reduzierten Verdichterleistung in der Lage ist. Zudem sind die rückgeführten Abgase bei Hochdruckabgasrückführsystemen oftmals direkt der Brennkraftmaschine entnommen und damit vergleichsweise heiß, so dass diese vor einer erneuten Zuführung in die Brennkraftmaschine gekühlt werden müssen, was wiederum einen erhöhten Energiebedarf erfordert. Bei sogenannten Niederdruckabgasrückführungsystemen wird das rückzuführende Abgas stromab eines Abgasturboladers bzw. eines Dieselpartikelfilters entnommen und stromauf des Verdichters wieder in die Ansaugleitung eingebracht. Da hierbei die Temperaturen der rückgeführten Abgase lediglich ca. 350°C bis 500°C betragen, kann auf eine aufwendige Kühlung derselben verzichtet werden.
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Selbstverständlich sind auch kombinierte Abgasrückführsysteme bekannt, mit welchen wahlweise eine Hochdruck-Abgasrückführung oder eine Niederdruck-Abgasrückführung möglich sind. Bei derartigen kombinierten Abgasrückführsystemen sind somit zwei Ventileinrichtungen zum separaten Steuern der jeweiligen Abgasrückführströme erforderlich, wodurch üblicherweise auch zwei Stelleinrichtungen zum jeweiligen Verstellen der Ventileinrichtungen erforderlich sind. Derartige kombinierte Abgasrückführsysteme sind somit konstruktiv vergleichsweise aufwendig und dadurch auch teuer.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ventileinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine kostengünstige und bauraumoptimierte Alternative zu den bisher bei kombinierten Abgasrückführsystemen eingesetzten zwei separaten Ventileinrichtungen bietet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem kombinierten Abgasrückführungssystem eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung einzusetzen, die zwei Ventilkolben aufweist und dadurch in der Lage ist, sowohl eine Hochdruckabgasrückführung über einen Hochdruckabgasrückführungskanal sowie eine Niederdruckabgasrückführung über einen Niederdruckabgasrückführungskanal zu steuern. Somit kann die Abgasrückführung entsprechend dem Zustand der Brennkraftmaschine entweder in den Hochdruck-Bereich oder in den Niederdruck-Bereich erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Abgasrückführung in den Hochdruckbereich während der Kaltstartphase. Dadurch erfolgt eine schnellere Erwärmung der Brennkraftmaschine auf die erforderliche Betriebstemperatur. Die Abgasrückführung in den Niederdruck-Bereich erfolgt nach der Kaltstartphase, wenn die Brennkraftmaschine die erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat. Hierbei erfolgt die Abgasrückführung in den Niederdruck-Bereich sowohl im Teillastbetrieb, als auch im Volllastbetrieb. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist in diesem Fall als sogenanntes Zweikolbenventil ausgebildet und in der Lage, die bisher zwei separaten Ventileinrichtungen zu ersetzen. Im Vergleich zu den bisher erforderlichen zwei separaten Ventileinrichtungen bei kombinierten Abgasrückführsystemen bietet die erfindungsgemäße Ventileinrichtung die großen Vorteile, dass diese aufgrund der eng benachbarten Anordnung der beiden Ventilkolben vergleichsweise kompakt baut und dadurch Bauraum-optimiert ausgebildet ist, sowie lediglich eine einzige Stelleinrichtung zur gemeinsamen Verstellung der beiden Ventilkolben erfordert, wodurch eine Stelleinrichtung bei bisher zwei separaten Ventileinrichtungen eingespart werden kann. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Ventileinrichtung im Vergleich zu bisherigen zwei separaten Ventileinrichtungen nicht nur kompakter, sondern zudem auch deutlich kostengünstiger zu bauen. Durch den Wegfall der bisher erforderlichen zweiten Stelleinrichtung kann darüber hinaus auch ein Gewichtsvorteil erzielt werden.
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Zweckmäßig weist die Stelleinrichtung einen elektrischen Stellmotor auf, der ein Stellorgan mit radial verlaufenden Langlöchern aufweist, beispielsweise einen Stellhebel, in welchen jeweils ein mit den jeweiligen Ventilkolben gekoppelter Stellschieber eingehängt ist. Durch ein Bestromen des elektrischen Stellmotors verstellt dieser somit den Stellhebel, woraufhin der eine Ventilkolben in die eine und der andere Ventilkolben simultan in die entgegengesetzte Richtung verstellt werden. Hierdurch ist ein gemeinsames und zugleich simultanes Verstellen der beiden Ventilkolben über lediglich eine einzige gemeinsame Stelleinrichtung möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der jeweilige Ventilkolben in den jeweils zugehörigen Abgasrückführungskanal, d.h. in den Hochdruckabgasrückführungskanal bzw. den Niederdruckabgasrückführungskanal, zum Verschließen desselben einschiebbar. In zumindest einem dieser Abgasrückführkanäle ist dabei ein Kolbenring angeordnet, der den jeweiligen Ventilkolben führt, reinigt und zugleich einen Ringspalt zwischen dem Ventilkolben und dem zugehörigen Abgasrückführungskanal abdichtet. Ein derartiger Kolbenring ermöglicht es somit, mit einem einzigen Bauteil drei Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, nämlich erstens die Abdichtung zwischen Ventilkolben und zugehörigem Abgasrückführungskanal, wodurch eine unerwünschte Bypassströmung vermieden werden kann, zweitens eine leichtgängige und zudem exakte Führung des Ventilkolbens, wodurch insbesondere ein Verkanten vermieden werden kann, und drittens eine Reinigung des jeweiligen Ventilkolbens, da dieser beim Durchschieben durch den jeweiligen Kolbenring von diesem abgestreift und an seiner Mantelfläche von beispielsweise sich dort ablagernden Abgasrückständen gereinigt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Gehäuse der Ventileinrichtung aus hinterschnittfreien Druckgussteilen ausgebildet. Für die spezielle, parallele Anordnung der beiden Ventilkolben ist es möglich, das Gehäuse der Ventileinrichtung aus zwei jeweils hinterschnittfreien Druckgussteilen kostengünstig und zugleich äußerst präzise herzustellen.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem eine Turbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, der turbinenseitig in einen Abgasstrang und verdichterseitig in einen Ansaugstrang eingebunden ist und wobei eine stromab der Turbine aus dem Abgasstrang abzweigende und stromauf des Verdichters in den Ansaugstrang mündende Niederdruckabgasrückführungsleitung vorgesehen ist, in letztere eine in den vorherigen Absätzen beschriebene, erfindungsgemäße Ventileinrichtung einzubauen und dadurch eine kostengünstige und zugleich bauraum- und gewichtsoptimierte Steuerung einer Abgasrückführrate in einem kombinierten Abgasrückführsystem zu verwirklichen.
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Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung bietet dabei eine ganze Reihe von bisher mit zwei separaten Ventileinrichtungen nicht erreichbaren Vorteilen: Zum einen wird lediglich noch eine einzige erfindungsgemäße Ventileinrichtung benötigt, die im Vergleich zu den bisher zwei erforderlichen, separaten Ventileinrichtungen einen deutlich geringeren Bauraumbedarf sowie ein deutlich geringeres Gewicht aufweist. Aufgrund des Wegfalls der bisher erforderlichen zweiten Stelleinrichtung lassen sich auch erhebliche Kostenvorteile realisieren. Durch die in dem jeweiligen Abgasrückführungskanal angeordneten Kolbenringe wird zudem eine Selbstreinigung der Ventilkolben, eine Führung derselben sowie eine Dichtfunktion durch lediglich ein einziges Bauteil realisiert. Mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist zudem eine äußerst exakte Steuerung bzw. Regelung einer Hochdruckabgasrückführrate bzw. einer Niederdruckabgasrückführrate möglich.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung,
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2 einen möglichen Einbauort der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung an der aufgeladenen Brennkraftmaschine,
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3a–c eine Detaildarstelllung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung in unterschiedlichen Schaltstellungen,
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4 eine Darstellung eines hinterschnittfreien Druckgussteils des Gehäuses der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 und einem Verdichter 4 auf. Der Abgasturbolader 2 ist dabei turbinenseitig in einen Abgasstrang 5 und verdichterseitig in eine Ansaugstrang 6 der Brennkraftmaschine 1 eingebunden, wobei zusätzlich eine den Abgasstrang 5 und den Ansaugstrang 6 verbindende Abgasrückführleitung 7 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß zweigt nun die Abgasrückführleitung 7 stromab der Turbine 3 des Abgasturboladers 2 aus dem Abgasstrang 5 ab und mündet stromauf des Verdichters 4 in den Ansaugstrang 6 ein und ist somit ein Niederdruckabgasrückführungskanal 12. Zusätzlich ist im Bereich der Abgasrückführleitung 7 eine Ventileinrichtung 8 zur Steuerung/Regelung einer Abgasrückführrate angeordnet.
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Stromab der Turbine 3 ist darüber hinaus ein Partikelfilter 9 angeordnet, wobei im Bereich der Abgasrückführleitung 7 bzw. des Niederdruckabgasrückführungskanals 12 zusätzlich ein Abgasrückführkühler 10 angeordnet ist. Generell besitzt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 gemäß der 1 auch einen Hochdruckabgasrückführungskanal 11, der direkt zur Ventileinrichtung 8 und über diese in den Ansaugstrang 6 der Brennkraftmaschine 1 führt. Somit besitzt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 generell zwei Abgasrückführleitungen 7, 7', nämlich einen Hochdruckabgasrückführungskanal 11 und einen Niederdruckabgasrückführungskanal 12, wobei in dem Niederdruckabgasrückführungskanal 12 ein Abgasdruck von ca. 1,1 bis 1,5 bar und eine Temperatur von ca. 350°C bis 500°C herrschen. Bei einer Regeneration des Dieselpartikelfilters 9 kann kurzzeitig auch eine Temperatur von bis zu 900°C in dem Niederdruckabgasrückführungskanal 12 herrschen. Demgegenüber liegt in dem Hochdruckabgasrückführungskanal 11 ein vergleichsweise hoher Druck zwischen 2 und 3 bar, sowie eine vergleichsweise hohe Temperatur zwischen 500°C und 800°C vor. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 8, die in den 3a bis 3c näher erläutert ist, ermöglicht dabei eine kombinierte Abgasrückführung, welche alternativ die Rückführung von Hochdruckabgas oder Niederdruckabgas ermöglicht. Im Bereich des Ansaugstrangs 6 kann darüber hinaus ein Ladeluftkühler 13 angeordnet sein.
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Als möglicher Einbauort für die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 8 bietet sich insbesondere ein benachbarter Bereich zum Motorblock 14 (vgl. 2) der Brennkraftmaschine 1 an. Hierdurch können insbesondere kurze Leitungswege zwischen dem Abgasturbolader 2, dem Abgasstrang 5 und dem Ansaugstrang 6 erreicht werden. Zudem ist auch ein direkter Anbau einer Stelleinrichtung 17 am Motorblock 14 möglich, die zur Verstellung der Ventileinrichtung 8 erforderlich ist.
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Betrachtet man nun die Detaildarstellungen der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 8 gemäß den 3a bis 3c, so kann man erkennen, dass die Ventileinrichtung 8 als Zweikolbenventil ausgebildet ist, wobei über einen ersten Ventilkolben 15 eine Hochdruckabgasrückführung über den Hochdruckabgasrückführungskanal 11 und über einen zweiten Ventilkolben 16 eine Niederdruckabgasrückführung über den Niederdruckabgasrückführungskanal 12 steuerbar ist. Beide Ventilkolben 15, 16 sind dabei über eine Stelleinrichtung 17, beispielsweise einen elektrischen Stellmotor, gemeinsam und zugleich simultan verstellbar. Die Stelleinrichtung 17 weist hierzu ein Stellorgan 18, beispielsweise einen Stellhebel, mit radial verlaufenden Langlöchern 19 auf, in welchen jeweils ein mit den jeweiligen Ventilkolben 15, 16 gekoppelter Stellschieber 20, 21 eingehängt ist. Wird somit das Stellorgan 18 durch die Stelleinrichtung 17 verdreht, beispielsweise aus der gemäß der 3a gezeigten Ausgangsstellung im Uhrzeigersinn, so werden die beiden Ventilkolben 15, 16, die parallel zueinander angeordnet sind, in entgegengesetzten Richtungen zueinander verstellt. Dies ist gemäß der 3b dargestellt, in welcher die Hochdruckabgasrückführung geschlossen ist, da der Ventilkolben 15 in den zugehörigen Hochdruckabgasrückführungskanal 11 eingeschoben ist, wogegen der Niederdruckabgasrückführungskanal 12 geöffnet ist, da der zweite Ventilkolben 16 aus diesem herausgezogen ist. Bei einer entgegengesetzten Drehverstellung des Stellorgans 18, wie dies gemäß der 3c dargestellt ist, die Hochdruckabgasrückführung geöffnet, wogegen die Niederdruckabgasrückführung geschlossen ist. Bei der gemäß der 3a gezeigten Stellung sind sowohl die Hochdruckabgasrückführung als auch die Niederdruckabgasrückführung geschlossen, so dass keine Abgasrückführung erfolgt.
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Betrachtet man die Darstellung gemäß den 3a bis 3c, so kann man erkennen, dass in den jeweiligen Abgasrückführungskanälen 11, 12 ein Kolbenring 22 angeordnet ist, der den jeweiligen Ventilkolben 15, 16 nicht nur führt, sondern zugleich bei einem Durchschieben auch abstreift und damit reinigt und zugleich einen Ringspalt zwischen dem Ventilkolben 15, 16 und dem jeweiligen Abgasrückführungskanal 11, 12 abdichtet. Zur verbesserten Führung kann darüber hinaus jeweils ein zweiter Kolbenring 22' sowie ein Lager 23 vorgesehen sein. Zwischen dem Lager 23 und dem jeweiligen Ventilkolben 15, 16 ist dabei ein Schmutzsammeltopf 24 angeordnet, der ein Übergehen von Schmutz, beispielsweise von Rußpartikeln, in Richtung der Stelleinrichtung 17 des Lagers 23 verhindert. Zwischen dem jeweiligen Lager 23 und einem Gehäuse 25 der Ventileinrichtung 8 ist zudem eine Dichtung 28 angeordnet, die verhindert, dass Abgase in die Steuerung bzw. in den Bereich der Stelleinrichtung 17 eindringen können.
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Generell lassen sich mit der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 8 vergleichsweise kurze Stellwege durch einen vergleichsweise sich in Axialrichtung gering erstreckenden Ventilkolben 15, 16 erzielen, wobei zudem größere Öffnungsquerschnitte bei derartig kurzen Wegen realisiert werden können. Die Ventilkolben 15, 16 können dabei beispielsweise aus Keramik oder aus Metall ausgebildet sein und dadurch eine vergleichsweise hohe Lebensdauer aufweisen. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung 8 ist im Vergleich zu zwei bisher erforderlichen separaten Ventileinrichtungen deutlich kompakter und benötigt somit einen im Vergleich zu bisher zwei separaten Ventileinrichtungen einen deutlich verringerten Bauraumbedarf, was insbesondere in modernen Motorräumen von großem Vorteil ist. Zugleich entfällt bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 8 eine der beiden bisher erforderlichen Stelleinrichtungen 17, wodurch nicht nur Teile und Bauraum eingespart werden können, sondern auch Kosten und Gewicht, was ebenfalls bei in Kraftfahrzeugen eingebauten Brennkraftmaschinen 1 von entscheidendem Vorteil ist. Durch die Kolbenringe 22 ist darüber hinaus eine Selbstreinigung der Ventilkolben 15 und 16 und damit eine Selbstreinigung der Ventileinrichtung 8 gegeben. Selbstverständlich können die beiden Ventilkolben 15, 16 auch optimiert auf die jeweilige Niederdruckabgasrückführung bzw. Hochdruckabgasrückführung ausgebildet sein, insbesondere auf die dort jeweils vorherrschenden Temperaturen.
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Von besonderem Vorteil dürfte darüber hinaus sein, dass das Gehäuse 25 der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 8 aus hinterschnittfreien Druckgussteilen 26 ausgebildet ist, wie dies beispielsweise gemäß der 4 dargestellt ist. In dem Druckgussteil 26 sind dabei bereits entsprechende Nuten 27 für die Kolbenringe 22 und 22' sowie Dichtungen 28 vorgesehen, so dass diese einfach montiert und zugleich zuverlässig im Gehäuse 25 fixiert werden können.
