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Die Erfindung betrifft eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführventil, welches einen Aktor und einen über den Aktor bewegbaren Regelkörper aufweist, über den ein Durchströmungsquerschnitt zwischen einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass regelbar ist, einem inneren Kühlmittelkanal, der in einem Gehäuse des Abgasrückführventils ausgebildet ist, einem Kühlmittelventil, mittels dessen der Kühlmittelstrom im Abgasrückführventil abschaltbar ist.
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Abgasrückführvorrichtungen dienen der Reduktion von Abgasemissionen. Dabei werden von an den jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine angepasste Abgasmengen zur Reduzierung der umweltschädlichen Anteile, insbesondere der Stickoxide, in die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt. Die Abgasrückführventile dienen der Regelung der Abgasmengen und bestehen zumeist aus einem elektromotorischen Aktor, der bei Hubventilen über ein Getriebe in Wirkverbindung mit einer Ventilstange steht, die über eine Führungsbuchse in einem Gehäuse des Ventils geführt wird und an ihrem dem Aktuator entgegengesetzten Ende zumindest einen Regelkörper aufweist, der mit einem entsprechenden Ventilsitz zwischen einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass korrespondiert. Bei Abgasrückführventilen mit einem im Kanal angeordneten drehbaren Klappenkörper wird die Welle, auf der die Klappe angeordnet ist über den Aktor und das Getriebe angetrieben. Beim Öffnen des Ventils strömt heißes Abgas in Richtung des Ansaugtraktes der Verbrennungskraftmaschine, so dass das heiße Abgas auf das Gehäuse des Abgasrückführventils und somit auch auf den Aktor wirkt, da die Wärme sowohl über Wärmeleitung als auch über Wärmestrahlung zum Aktor geleitet wird. Hierdurch steigt die thermische Belastung des Aktors, weswegen Abgasrückführvorrichtungen bekannt geworden sind, bei denen eine thermische Trennung des durchströmten Gehäuses vom Aktor mittels eines Kühlmittelkanals vorgenommen wird, über den die Wärme aus dem Abgas abgeführt wird und der Aktor zum Strömungsgehäuse isoliert wird.
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Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der
DE 103 44 218 A1 bekannt. Das hierin beschriebene Ventil weist eine über einen Aktor betätigbare Ventilstange mit einem Ventilteller auf, der einen Durchströmungsquerschnitt beherrscht. Radial um die Ventilstange ist im Strömungsgehäuse ein Kühlmittelkanal ausgebildet, der zum Aktorgehäuse hin offen ist und durch Aufsetzen des Aktorgehäuses verschlossen wird. Die Anschlussstutzen sind in entsprechende Aufnahmen des Strömungsgehäuses eingepresst.
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Des Weiteren wird in der
DE 10 2010 010 332 A1 ein Abgassystem offenbart, welches einen Abgaskühler, einen Bypasskanal mit einer Bypassklappe sowie ein hinter dem Abgaskühler angeordnetes Abgasrückführventil aufweist. Der Abgaskühler weist ein Kühlmittelventil auf, über welches der Kühlmittelfluss unterbrochen werden kann. Zur Reinigung des Abgasrückführventils, wird die Temperatur im Abgasrückführventil erhöht, indem der Kühlmittelfluss durch das Kühlmittelventil unterbrochen wird und die Bypassklappe geöffnet wird, so dass das Abgas ungekühlt zum Abgasrückführventil strömt.
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Zusätzlich ist aus der
DE 10 2013 102 549 A1 ein Abgasrückführventil bekannt, in dessen Gehäuse zwischen dem Aktor und dem Regelkörper ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist, der sowohl im Aktorgehäuse als auch im Ventilgehäuse angeordnet ist. Am Aktorgehäuse sind ein Kühlmitteleinlassstutzen und ein Kühlmittelauslassstutzen zur Versorgung des Kühlmittelkanals mit Kühlmittel ausgebildet.
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Ein ähnliches Ventil wird auch in der
US 2011/0197863 A1 offenbart. Bei diesem Ventil ist der Kühlmittelkanal in einem separaten Gehäuseteil zwischen dem Aktor und dem Kanalgehäuse ausgebildet.
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Auch ist aus der
DE 10 2010 010 027 A1 ein als Klappe ausgebildetes Abgasschaltventil bekannt, über welches zwischen mehreren Kanälen hin und her geschaltet werden kann und welches als Kühler-Bypassventil dient. Im Gehäuse ist in unmittelbarer Nähe zur Drehwelle ein Kühlmittelkanal ausgebildet.
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Bei den bekannten Abgasrückführvorrichtungen besteht keine Möglichkeit die Kühlung des Abgasrückführventils in irgendeiner Weise an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors anzupassen oder anderweitig eine in bestimmten Betriebszuständen auftretende Kondensatbildung im Abgasrückführventil zu verhindern, durch welche einerseits größere Ablagerungen am Abgasrückführventil selbst entstehen und andererseits nachfolgende Verdichter beschädigt werden können.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit der einerseits hohe thermische Belastungen des Aktors vermieden werden und anderseits eine Kondensatbildung im Abgasrückführventil vermieden wird. So soll die Lebensdauer der Abgasrückführvorrichtungen und nachfolgender Aggregate und insbesondere Verdichter erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass ein Kühlmitteleinlasskanal, der mit dem inneren Kühlmittelkanal im Gehäuse des Abgasrückführkanals fluidisch verbunden ist, mit einem Kühlmittelauslasskanal, der mit dem inneren Kühlmittelkanal fluidisch verbunden ist über einen Bypasskanal fluidisch verbunden ist, über den der innere Kühlmittelkanal umgehbar ist, kann in jedem Betriebszustand die Kühlung der Abgasrückführvorrichtung entweder durchgeführt oder abgeschaltet werden. So kann je nach Temperatur des Abgases und Temperatur des Gehäuses und damit zu erwartender Kondensatbildung die Kühlung zu- oder abgeschaltet werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Abgasrückführventils, des Aktors und nachfolgender Aggregate. Dennoch kann das Abgasrückführventil in den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine integriert werden, da durch die Verwendung des Bypasskanals das Kühlmittel auch bei Abschaltung des Kühlmittelstroms zum Abgasrückführventils aus dem Kühlkreislauf allen weiteren Aggregaten weiterhin Kühlmittel zugeführt werden kann, so dass der übrige Kühlkreislauf nicht beeinflusst wird.
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Vorzugsweise ist das Kühlmittelventil ein 3/2-Wegeventil, welches an der Abzweigung des Bypasskanals vom Kühlmitteleinlasskanal oder an der Einmündung des Bypasskanals in den Kühlmittelauslasskanal angeordnet ist. Mit einem derartigen Wegeventil kann der jeweils nicht zu durchströmende Pfad vollständig abgeschaltet werden, so dass die Zuführung nicht von den vorhandenen Druckverhältnissen abhängig ist.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist das Kühlmittelventil ein Schaltventil, so dass das Kühlmittel wahlweise in den inneren Kühlmittelkanal oder in den Bypasskanal strömt. Derartige Schaltventile sind einfach aufgebaut und können von einfachen und kostengünstigen Stellern, wie Pneumatikaktoren, Elektromagneten oder Thermoelementen betätigt werden.
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In einer bevorzugten alternativen Ausführung ist das Kühlmittelventil ein Regelventil, über welches ein Kühlmittelstrom in den Bypasskanal und den inneren Kühlmittelkanal geregelt aufteilbar ist. So können genaue Temperaturen im Abgasrückführventil geregelt werden, da auch Teilströme des Kühlmittelstroms realisiert werden können. Entsprechend kann zuverlässig eine Kondensatbildung vermieden werden.
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Vorzugsweise erstreckt sich der innere Kühlmittelkanal an zumindest drei Seiten um den Aktor, eine Ventilstange, eine Welle oder den Regelkörper des Abgasrückführventils. Ein derartig angeordneter innerer Kühlmittelkanal führt zu einer sehr gleichmäßigen Kühlwirkung über eine große Kühlfläche des Gehäuses, so dass die Temperatur der angeströmten Gehäusewände sehr deutlich beeinflusst werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Abgasrückführventil ein Hubventil, und der innere Kühlmittelkanal erstreckt sich an drei Seiten zur Ventilstange des Hubventils. Entsprechend wird der Aktor thermisch vom Gehäuse getrennt, während der Kühlmittelkanal über zumindest 75% des Querschnitts direkt auf die angeströmten Gehäusewände wirkt, so dass die Temperatur der zum Abgasstrom gewandten Gehäusewände zur Vermeidung von Kondensaten sehr genau eingestellt werden kann.
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Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn der innere Kühlmittelkanal zwischen dem Aktor und dem Durchströmungsquerschnitt des Abgasrückführventils angeordnet ist. Dies führt zu einem zuverlässigen Schutz des Aktors vor Überhitzung.
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Des Weiteren sollte der Bypasskanal außerhalb des Gehäuses des Abgasrückführventils angeordnet sein, da auf diese Weise eine Rückwirkung des im Bypasskanal vorhandenen Kühlmittelstroms auf das Gehäuse und die angeströmten Gehäusewände zuverlässig verhindert wird.
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Alternativ kann der Bypasskanal innerhalb des Gehäuses des Abgasrückführventils ausgebildet sein. Dies verschlechtert zwar die Wirkung der Schaltung des Kühlmittelventils, jedoch kann auf die Ausbildung eines zusätzlichen Kühlmittelkanals verzichtet werden, so dass die Montage einer derartigen Abgasrückführvorrichtung einfacher ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bypasskanal an der zum Durchströmungsquerschnitt des Abgasrückführventils abgewandten Seite des Aktors ausgebildet ist, da dann weiterhin eine Kühlung des Aktors zur Vermeidung von thermischer Überlastung auch dann vorhanden ist, wenn die Temperatur der angeströmten Gehäusewände durch Ausschalten des inneren Kühlmittelkanals zur Verhinderung von Kondensaten erhöht wird.
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Vorzugsweise ist der Bypasskanal zwischen dem Aktor und einem Strömungsgehäuseabschnitt des Gehäuses angeordnet, wodurch eine thermische Abschirmung des Aktors erreicht wird, ohne dass eine Kühlung des Strömungsgehäuseabschnitts erfolgt, wenn lediglich der Bypasskanal durchströmt wird.
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Eine besonders kompakte und einfach montierbare Bauweise ergibt sich, wenn das Kühlmittelventil am Gehäuse des Abgasrückführventils befestigt ist.
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Es wird somit eine Abgasrückführvorrichtung geschaffen, bei der der Aktor gut vor thermischer Überlastung geschützt ist und gleichzeitig zuverlässig eine Kondensatbildung im Abgasrückführventil verhindert werden kann. So werden Schäden am nachfolgenden Verdichter oder anderen Aggregaten durch die Kondensate ebenso vermieden, wie zu große Ablagerungen am Abgasrückführventil selbst durch die Kondensate. Die Montage einer derartigen Abgasrückführvorrichtung ist besonders einfach.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
- 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung in perspektivischer Darstellung.
- 2 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Abgasrückführvorrichtung in geschnittener Darstellung.
- 3 zeigt eine schematische Kopfansicht der erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung.
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Die in den Figuren dargestellte Abgasrückführvorrichtung besteht aus einem Abgasrückführventil 10 mit einem zweiteiligen Gehäuse 12, welches ein Aktorgehäuseteil 14 mit einem darin angeordneten Aktor 16 in Form eines Elektromotors, der ein in 2 teilweise sichtbares Getriebe 18 antreibt, und ein Ventilgehäuseteil 20 aufweist. Das Getriebe 18 wirkt auf ein Bewegungsübertragungsglied in Form einer Ventilstange 22, an deren Ende ein Regelkörper 24 in Form eines Ventiltellers angeordnet ist. Die rotatorische Bewegung des Aktors 16 wird über das Getriebe 18 beispielswiese über eine Exzenter-Kulissenverbindung in bekannter Weise in eine translatorische Bewegung der Ventilstange 22 umgewandelt. Am zum Getriebe 18 entgegengesetzten Ende der Ventilstange 22 ist der Regelkörper 24 befestigt, der mit einem Ventilsitz 26 zusammenwirkt, der einen Durchströmungsquerschnitt 28 zwischen einem Abgaseinlass 30 und einem Abgasauslass 32 umgibt, so dass in Abhängigkeit der Stellung des Regelkörpers 24 eine unterschiedliche Abgasmenge vom Abgaseinlass 30 über den Durchströmungsquerschnitt 28 zum Abgasauslass 32 gelangen kann.
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Der Abgaseinlass 30 und der Abgasauslass 32 sowie der Ventilsitz 26 sind in einem als Strömungsgehäuseabschnitt 34 des Ventilgehäuseteils 20 ausgebildet. Das Ventilgehäuseteil 20, welches in vorliegender Ausführungsform als einstückiges Leichtmetalldruckgussteil hergestellt ist, weist zusätzlich einen das Getriebe 14 aufnehmenden Getriebegehäuseabschnitt 36 auf. Vom Getriebegehäuseabschnitt 36 ragt die Ventilstange 22 in den Strömungsgehäuseabschnitt 34.
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Der Getriebegehäuseabschnitt 36 weist eine Flanschfläche 38 auf, die gegen eine Flanschfläche 40 des Aktorgehäuseteils 14 anliegt und über die das Aktorgehäuseteil 14 mittels Schrauben 42 am Getriebegehäuseabschnitt 36 des Ventilgehäuseteils 20 befestigt ist.
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Zum Antrieb und zur Steuerung des Aktors 16 ist am Aktorgehäuseteil 14 ein Steckergehäuse 44 angebracht, welches bei der Ausführung gemäß 1 am zum Strömungsgehäuseabschnitt 34 entgegengesetzten Ende des Aktorgehäuseteils 14 und gemäß 2 neben dem Aktor 16 befestigt ist.
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In das Aktorgehäuseteil 14 ragen zwei Anschlussstutzen, die als Kühlmitteleinlasskanal 46 und Kühlmittelauslasskanal 48 dienen. Diese Kühlmitteleinlass- und -auslasskanäle 46, 48 erstrecken sich in zum Getriebegehäuseabschnitt 36 entgegengesetzter Richtung vom Aktorgehäuseteil 14 und sind im zum Strömungsgehäuseabschnitt 34 weisenden Bereich beidseits des Aktors 16 angeordnet. Der Kühlmitteleinlassstutzen 46 und der Kühlmittelauslassstutzen 48 sind fluidisch über einen im Gehäuse 12 ausgebildeten inneren Kühlmittelkanal 50 miteinander verbunden, der sich teilweise im Aktorgehäuseteil 14 und teilweise im Getriebegehäuseabschnitt 36 erstreckt.
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Der innere Kühlmittelkanal 50 erstreckt sich dabei zunächst in Verlängerung des Kühlmitteleinlasskanals 46 in einem ersten Abschnitt 52 durch das Aktorgehäuse 14 in den Getriebegehäuseabschnitt 36. Im zum Aktorgehäuse 10 wegweisenden Bereich erfährt der innere Kühlmittelkanal 50 im Ventilgehäuseteil 20 eine senkrechte Umlenkung. Dieser zweite Abschnitt 54 des inneren Kühlmittelkanals 50 erstreckt sich im Wesentlichen entlang der Breite des Getriebegehäuseabschnitts 36 und ist als Bohrung ausgeführt, die am Einschubende des Bohrers durch einen Stopfen 56 verschlossen wird. Der Kühlmittelkanal 50 erfährt im weiteren Verlauf erneut eine 90°-Umlenkung, so dass dieser dritte Abschnitt 58 parallel zum ersten Abschnitt 52 des Kühlmittelkanals 50 verläuft, jedoch an der zur Ventilstange 22 gegenüberliegenden Seite des Getriebegehäuseteils 30 ausgebildet ist. Dieser dritte Abschnitt 58 mündet in den Kühlmittelauslasskanal 48. Entsprechend wird unmittelbar oberhalb des Strömungsgehäuseteils 34 ein an drei Seiten verlaufender innerer Kühlmittelkanal 46 im Aktorgehäuseteil 14 und im Ventilgehäuseteil 20 gebildet, der das Bewegungsübertragungsglied 22 entsprechend an drei Seiten umgibt. Diese Positionierung des Kühlmittelkanals 50 sorgt dafür, dass der Aktor 12 thermisch gegenüber dem heißen Strömungsgehäuseabschnitt 34 getrennt ist, so dass Wärme, bevor sie zum Aktor 16 gelangen kann über das Kühlmittel abgeführt wird. Die Übergänge des Kühlmittelkanals 50 vom Aktorgehäuse 14 zum Ventilgehäuse 20 wird jeweils über Dichtungen 60 abgedichtet.
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Erfindungsgemäß ist der Kühlmitteleinlasskanal 46 mit dem Kühlmittelauslasskanal 48 unmittelbar über einen zusätzlichen Bypasskanal 62 miteinander fluidisch verbunden, so dass der innere Kühlmittelkanal 50 im Gehäuse 12 des Abgasrückführventils 10 vollständig umgangen werden kann. Hierzu ist am Kühlmitteleinlasskanal 46 eine Abzweigung 64 ausgebildet, an der der Bypasskanal 62 vom Kühlmitteleinlasskanal 46 abzweigt, wobei der Bypasskanal 62 sich bis zu einer Einmündung 66 in den Kühlmittelauslasskanal 48 erstreckt. An der Abzweigung 64 ist ein Kühlmittelventil 68 angeordnet, welches als 3/2-Wegeventil ausgestaltet ist, welches wahlweise als Regelventil oder Schaltventil ausgeführt werden kann. Dieses Kühlmittelventil 68 ist vorzugsweise als Klappenventil ausgebildet, welches über einen Aktor 70 betätigt wird, der als Elektromagnet als Pneumatiksteller ausgeführt werden kann oder bei gewünschter vollständiger Regelung des Kühlmittelventils als elektromotorsicher Steller ausgeführt werden kann.
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Der Bypasskanal 62 erstreckt sich zwischen dem Aktor 16 und dem Strömungsgehäuseabschnitt 34 des Abgasrückführventils 10, so dass der Aktor 16 unabhängig von einer Kühlung des Strömungsgehäuseabschnitts 34 zumindest gegen die Wärme des Abgasstroms teilweise abgeschirmt wird.
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Durch Schalten des Kühlmittelventils 68 kann somit entweder eine Durchströmung des Bypasskanals 62 unterbrochen werden, so dass das gesamte Kühlmittel durch den inneren Kühlmittelkanal 50 strömt oder eine Durchströmung des inneren Kühlmittelkanals 50 vollständig unterbrochen werden, so dass keine Kühlung des Strömungsgehäuseabschnitts 34 und damit des Abgasstroms stattfindet.
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Entsprechend wird eine exzellente Wärmeabfuhr über den Kühlmittelkanal sowohl aus dem Aktorgehäuse als auch aus dem Getriebegehäuseteil ermöglicht. Durch die Positionierung des Kühlmittelkanals wird zusätzlich eine thermische Abschirmung des Aktorgehäuses vom Strömungsgehäuseteil hergestellt. Dennoch kann bei bestimmten Betriebszuständen eine zu starke Kühlung der vom Abgasstrom angeströmten Gehäusewände erfolgen, was dazu führen würde, dass Kondensat an den Wänden aufgrund der Temperaturunterschiede ausfällt, welches sowohl zu einer erhöhten Versottung des Ventils selber als auch zu möglichen Schäden an nachfolgenden Aggregaten, wie Verdichtern führen könnte. Die Gefahr einer derartigen Kondensatbildung wird jedoch durch den Bypasskanal deutlich reduziert, indem das Kühlmittelventil den Kühlmitteleinlasskanal verschließt und so den Kühlmittelstrom vollständig am Abgasrückführventil vorbeiführt. Entsprechend entsteht keine Kühlung des Strömungsgehäuses, wodurch die Kondensationsneigung an den Gehäusewänden deutlich herabgesetzt wird. Alternativ kann bei Verwendung eines Regelventils auch eine gewünschte Temperatur im Strömungsgehäuseabschnitt durch Aufteilung des Kühlmittelstroms eingestellt werden, um Kondensate zu vermeiden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. So kann insbesondere die Lage und Positionierung des Kühlmittelkanals und insbesondere des Bypasskanals geändert werden. Denkbar ist beispielsweise eine Ausführung mit vollständig geschlossenem Umlauf des Kühlmittelkanals. Auch kann der Bypasskanal an der zum Strömungsgehäuseabschnitt entgegengesetzten Seite des Aktors positioniert werden oder der Bypasskanal kann bei geschickter Anordnung im Gehäuse ausgebildet werden, wenn ein entsprechend großer Abstand zum Strömungsgehäuseabschnitt beibehalten wird. Auch eignet sich die erfindungsgemäße Abgasrückführvorrichtung für Abgasventile, die als Regelkörper eine Klappe aufweisen. Das Kühlmittelventil kann als beliebiges Schalt- oder Regelventil ausgeführt werden. Selbstverständlich sind weitere konstruktive Änderungen im Schutzbereich des Hauptanspruchs für den Fachmann ersichtlich.
