DE10248649A1

DE10248649A1 - Abgasrückführventil

Info

Publication number: DE10248649A1
Application number: DE10248649A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Betz; Siegfried Dipl.-Ing. Weber
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-04-29

Abstract

Ein Abgasrückführventil für eine Brennkraftmaschine weist ein Ventilgehäuse und einen Ventilkörper auf, welcher zum Öffnen bzw. Verschließen einer sich in dem Ventilgehäuse befindlichen Abgasrückführöffnung zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellbar ist. Der Ventilkörper ist mittels wenigstens zweier Magnete zwischen der Offenstellung und der Geschlossenstellung verstellbar und mittels einer Federanordnung schwingend gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführventil für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilgehäuse und einem Ventilkörper nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Rückführen von Abgas.
Gattungsgemäße Abgasrückführventile sind aus dem allgemeinen Stand der Technik in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Nur beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die DE 30 06 767 A1 verwiesen.
Diese bekannten Abgasrückführventile, die sich bereits seit einiger Zeit im praktischen Einsatz befinden, weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Da man zu jedem Zeitpunkt über den Kurbelwinkelverlauf der Brennkraftmaschine eine genau definierte Abgasmenge aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung zurückführen möchte, ist für die Abgasrückführung in jedem Fall eine Regelung erforderlich. Deshalb werden zur Regelung der Abgasrückführventile aufwändige und somit teure Regeleinrichtungen verwendet, die den Einsatz von ebenso aufwändigen Sensoren, wie z.B. Luftmassenmessern, notwendig machen.
Des weiteren wird bei diesen Abgasrückführventilen die rückgeführte Abgasmenge meist über den freien Querschnitt der Abgasrückführöffnung gesteuert, so dass ein kontinuierliches und damit sehr langsames Öffnen gegeben ist. In einigen Betriebspunkten ist heute keine oder nur eine zu geringe Abgasrückführmenge aufgrund von positiven oder zu gering negativem Spülgefälle (Differenz zwischen mittlerem Abgasdruck und mittleren Saugrohrdruck) möglich. Ein weiterer Nachteil der über einen relativ langen Zeitraum geöffneten und dabei relativ kleinen Abgasrückführöffnung ist die Tatsache, dass sich der Abgasrückführquerschnitt durch Versottung stark zusetzt.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es insbesondere im Nutzfahrzeugbau bekannt, Abgasrückführventile als sogenannte Flatterventile auszuführen, welche in Abhängigkeit des Drucks in der Abgasleitung einen Öffnungsquerschnitt freigeben bzw. von der Geschlossenstellung in die Offenstellung wechseln. Bei diesen Ventilen ist jedoch die Tatsache nachteilig, dass das Öffnen und Schließen des Ventils lediglich vom Druck in der Abgasleitung anhängt und sich aus diesem Grund in der Praxis nur unzureichende Ergebnisse erreichen lassen.
Um eine zylinderspezifische Regelung der Abgasrückführung zu erreichen, also jedem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine eine bestimmte, separat berechnete Abgasmenge zuzuführen, ist bei der in der US-A-6 095 122 beschriebenen Brennkraftmaschine jeder Ansaugleitung ein separates Abgasrückführventil zugeordnet. Dies mag zwar im Bereich der Großmotoren, wie z.B. im Schiffsmotorenbau, ein praktikabler Vorschlag sein, für die Serienfertigung von Brennkraftmaschinen für PKw und LKW ist dieser Vorschlag aus Kostengründen jedoch wenig geeignet.
Ein weiterer Vorschlag zum Erreichen einer zylinderselektiven Regelung der Abgasrückführmenge ist in der DE 31 46 654 A1 beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, das Abgasrückführventil zusätzlich zu den Ein- und Auslassventilen unmittelbar im Zylinderkopf anzuordnen. Dies ist jedoch, abgesehen von der Tatsache, dass auch hier für jeden Zylinder ein separates Abgasrückführventil erforderlich ist, bei modernen Brennkraftmaschinen aufgrund des akuten Platzmangels im Zylinderkopf oberhalb des Brennraums eine vollkommen unpraktikable Lösung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasrückführventil für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welches mit einfachen konstruktiven Mitteln in der Lage ist, die Rückführung von Abgas aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung derart zu gewährleisten, dass eine möglichst genau definierte Abgasmenge zurückgeführt werden und sich eine besonders einfache Regelung bzw. sogar eine Steuerung des Abgasrückführventils ergeben kann. Des weiteren soll auch bei im Mittel positiven Spülgefällen eine Abgasrückführung ermöglicht werden, bzw. bei niedrig negativen Spülgefällen die mögliche Abgasrückführrate erhöht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Magnete zur Ansteuerung des Ventilkörpers und der schwingenden Lagerung desselben mittels der Federanordnung ergibt sich ein Schwingankersystem für das Abgasrückführventil, wodurch eine freie Ansteuerung desselben über sämtliche Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine möglich ist. Dies bedeutet, dass das Abgasrückführventil beispielsweise in Abhängigkeit des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine nur für einen sehr kurzen Zeitraum einen großen Querschnitt öffnen kann. Aufgrund der Tatsache, dass es über den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine betrachtet in einigen Betriebspunkten nur innerhalb einer sehr kurzen Zeit möglich ist, überhaupt Abgas in die Ansaugleitung zurückzuführen, bietet das erfindungsgemäße Abgasrückführventil hierfür eine sehr effektive Möglichkeit.
Anders als bei bekannten Abgasrückführventilen, die kontinuierlich geöffnet und geschlossen werden und somit einer starken Versottung ausgesetzt sind, wird dieses Problem bei der erfindungsgemäßen Lösung vermieden, da aufgrund der sehr viel höheren Durchströmung des erfindungsgemäßen Abgasrückführventils dieses sich im wesentlichen selbst säubert. Ein weiterer Vorteil der freien Ansteuerbarkeit des erfindungsgemäßen Ab gasrückführventils ist die Tatsache, dass möglicherweise auf eine aufwändige Regelung mit hierfür notwendigen Sensoren verzichtet werden kann, da eine an den Kurbelwinkelverlauf und den Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasste Steuerung ausreichend ist. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Abgasrückführventil auch in Abhängigkeit von anderen Parametern der Brennkraftmaschine, wie Einspritzmenge, Kühlwassertemperatur oder Öltemperatur ansteuerbar.
Eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und einem erfindungsgemäßen Abgasrückführventil ist in Anspruch 6 angegeben.
Durch die freie Ansteuerbarkeit des erfindungsgemäßen Abgasrückführventils lässt sich in einer Weiterbildung dieser Brennkraftmaschine eine Zumessung der rückgeführten Abgasmenge für jeden einzelnen Zylinder auch dann erreichen, wenn das Abgasrückführventil in Strömungsrichtung vor den zu den einzelnen Zylindern führenden Ansaugkanälen in einer gemeinsamen Ansaugleitung angeordnet ist.
Ein Verfahren zum Rückführen von Abgas ergibt sich aus Anspruch 8. Dabei wird über den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine betrachtet der gesamte Querschnitt des Abgasrückführventils zu einem genau definierten Zeitpunkt für einen über die Ansteuerung genau definierten Zeitraum geöffnet und sofort wieder geschlossen. Aus den zu diesem Zeitraum anliegenden Druckdifferenzen ergibt sich eine genau definierte Abgasrückführrate.
Für dieses Verfahren eignet sich das oben beschriebene, erfindungsgemäße Abgasrückführventil in besonderem Maße. Allerdings könnte dieses Verfahren auch mit einem elektropneumatisch, elektrohydraulisch oder piezoelektrisch gesteuerten Abgasrückführventil durchgeführt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen so wie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Dabei zeigen:
1 das erfindungsgemäße Abgasrückführventil in seiner Geschlossenstellung;
2 das Abgasrückführventil aus 1 in seiner Offenstellung;
3 eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführventil; und
4 ein Diagramm, welches den Verlauf des Drucks in der Ansaugleitung und in der Abgasleitung sowie einen beispielhaften Verlauf der Öffnung des erfindungsgemäßen Abgasrückführventils zeigt.
In 1 und 2 ist ein Abgasrückführventil 1 dargestellt, welches ein Ventilgehäuse 2 und einen darin angeordneten Ventilkörper 3 aufweist. Der Ventilkörper 3 dient zum Öffnen bzw. Verschließen einer sich in dem Ventilgehäuse 2 befindlichen Abgasrückführöffnung 4 und ist hierzu zwischen einer in 1 dargestellten Geschlossenstellung A und einer in 2 dargestellten Offenstellung B verstellbar.
Der Ventilkörper 3 weist einen Ventilschaft 5 und einen das Verschlusselement für die Abgasrückführöffnung 4 bildenden Ventilteller 6 auf. Zur Steuerung des Ventilkörpers 3 sind zwei Magnete 7 und 8 vorgesehen, die im vorliegenden Fall jeweils als Elektromagnete ausgebildet sind. In der Darstellung gemäß 1 sind demnach die für die Geschlossenstellung A des Abgasrückführventils 1 verantwortlichen Magnete 7, die auch als Schließmagnete bezeichnet werden können, bestromt. Demgegenüber sind in 2 die für die Offenstellung B des Abgasrückführventils 1 verantwortlichen Magnete 8, also die Öffnungsmagnete, bestromt. Um diese Ansteuerung mittels der Magnete 7 und 8 zu erreichen, besteht zumindest der Ventilteller 6 aus einem magnetischen Material.
Der Ventilkörper 3 ist mittels einer Federanordnung 9 schwingend gelagert, so dass das Abgasrückführventil 1 in der Art eines Schwingankersystems ausgeführt ist. Die Federanordnung 9 weist dabei zwei Federelemente 10 und 11 auf, die beide an einem an dem Ventilschaft 5 angebrachten Federteller 12 angreifen. Hierbei wirkt das in 1 komprimierte, untere Federelement 10 in Richtung der Offenstellung B und das in 1 expandierte, obere Federelement 11 wirkt in Richtung der Geschlossenstellung A. Die Stellung der Federelemente 10 und 11 ist in 2 folgerichtig umgekehrt zu der Stellung in 1.
In dem Zustand, in dem die beiden Magnete 7 und 8 nicht bestromt sind, bringt die Federanordnung 9 den Ventilkörper 3 in eine nicht dargestellte Mittelstellung. Theoretisch ist auch nur ein Federelement (Drehstabfeder oder ähnliches) möglich.
Durch die Ansteuerung des Ventilkörpers 3 des Abgasrückführventils 1 mittels der Magnete 7 und 8 und des sich hierdurch ergebenden Schwingankersystems für das Abgasrückführventil 1 ist es möglich, die Abgasrückführöffnung 4 zu beliebigen Zeitpunkten zu öffnen bzw. zu verschließen. Die Dauer, die der Übergang von der Geschlossenstellung A in die Offenstellung B in Anspruch nimmt, hängt dabei lediglich von der Eigenfrequenz dieses Schwingankersystems ab. Zum Schalten des Abgasrückführventils 1 ist lediglich eine entsprechende Bestromung der Magnete 7 und 8 erforderlich, was beispielsweise über ein nicht dargestelltes Steuergerät verwirklicht werden kann. Dies bietet, wie im folgenden näher erläutert wird, verschiedene Möglichkeiten zur Ansteuerung des Abgasrückführventils 1, wobei diese Ansteuerung durch ein nicht dargestelltes Steuergerät übernommen werden kann.
3 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 13 mit mehreren Zylindern 14. Das in den Zylindern 14 erzeugte Abgas wird über einzelne Abgaskanäle 15 einem Abgaskrümmer 16 zugeführt, von wo aus es in eine Abgasleitung 17 gelangt. von dem Abgaskrümmer 16 geht eine Abgasrückführleitung 18 aus, die in das Abgasrückführventil 1 mündet.
Der Brennkraftmaschine 13 wird über eine Ansaugleitung 19 in an sich bekannter Weise Frischluft zugeführt. Hierbei weist die Ansaugleitung 19 außerdem einen Ansaugkrümmer bzw. eine Ladeluftverteilungsleitung 20 auf, von wo aus die Ansaugluft über Ansaugkanäle 21 zu den jeweiligen Zylindern 14 geleitet wird. Das Abgasrückführventil 1 ist dabei in der Ansaugleitung 19 angeordnet, im vorliegenden Fall in der Ladeluftverteilungsleitung 20.
Durch diese Anordnung des Abgasrückführventils 1 in der gemeinsamen Ansaugleitung 19 für die Ansaugkanäle 21 wäre es an sich nicht möglich, den Zylindern 14 jeweils unterschiedliche bzw. angepasste Mengen an Abgas zuzuführen während sie über die Ansaugkanäle 21 Frischluft ansaugen. Aufgrund der oben beschriebenen, sehr schnellen Ansteuerung des Abgasrückführventils 1 ist es jedoch möglich, die in die Ansaugleitung 19 führende Abgasrückführöffnung 4 nur für eine über den gesamten Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine 13 betrachtet sehr kurze Zeit zu öffnen. Auf diese Weise kann, durch eine entsprechende Ansteuerung des Abgasrückführventils 1, das in die gemeinsame Ansaugleitung 19 eingeleitete Abgas nur zu dem jeweils gewünschten Zylinder 14 gelangen, der gerade Frischluft ansaugt. Dadurch ist in jedem Zylinder 14 ein gleiches Kraftstoff/Luft-Verhältnis einstellbar, was durch eine Lambda-Sonde 22 in der Abgasleitung 17 unterstützt werden kann.
4 zeigt ein Diagramm, bei welchem der Saugrohrdruck P₁, also im wesentlichen der Druck in der Ansaugleitung 19, der Abgasgegendruck P₂, d.h. der Druck in der Abgasleitung 17, und ein mit dem Bezugszeichen 23 bezeichneter exemplarischer Öffnungsverlauf des Abgasrückführventils 1 über einen Bereich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine 13 aufgetragen ist.
Aus dem Diagramm ist erkennbar, dass in einem Bereich zwischen ca. 520° Kurbelwinkel und 620° Kurbelwinkel der Saugrohrdruck P₁ größer ist als der Abgasgegendruck P₂, so dass es in diesem Bereich nicht möglich ist, Abgas aus dem Abgaskrümmer 16 über die Abgasrückführleitung 18 in die Ansaugleitung 19 zurückzuführen. Demgegenüber ist in einem Bereich von ca. 630° Kurbelwinkel bis ca. 700° Kurbelwinkel der Abgasgegendruck P₂ höher als der Saugrohrdruck P₁, so dass hier eine entsprechende Abgasrückführung mit der Möglichkeit, eine sehr große, exakt bemessene Abgasmenge zurückzuführen, sehr gut durchgeführt werden kann, insbesondere dann, wenn eine große Druckdifferenz herrscht.
Durch das oben beschriebene, sehr schnell schaltende Abgasrückführventil 1 ist es möglich, genau in diesem Bereich Abgas zurückzuführen, wenn das Abgasrückführventil 1 für kurze Zeit geöffnet wird. Dies ist in 4 durch den exemplarischen Öffnungsverlauf des Abgasrückführventils 1 dargestellt, bei welchem das Abgasrückführventil 1 bei ca. 650° Kurbelwinkel geöffnet und bei ca. 670° Kurbelwinkel bereits wieder geschlossen wird. Dieses Öffnen des Abgasrückführventils 1 kann in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern der Brennkraftmaschine 13, wie z.B. der Drehzahl, der Einspritzmenge, der Last, der Kühlwassertemperatur usw., erfolgen, so dass eine Rückführung von Abgas auch bei sehr hohen Drehmomenten bzw. Lasten der Brennkraftmaschine 13 durchgeführt werden kann. Durch das zeitlich betrachtet sehr kurze Freigeben der Abgasrückführöffnung 4 kann das Abgasrückführventil 1 nicht versotten, da während dieses Öffnens stets eine sehr starke Strömung vorherrscht.

Claims

Abgasrückführventil für eine Brennkraftmaschine mit einem Ventilgehäuse und einem Ventilkörper, welcher zum Öffnen bzw. Verschließen einer sich in dem Ventilgehäuse befindlichen Abgasrückführöffnung zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Ventilkörper (3) mittels wenigstens zweier Magnete (7,8) zwischen der Offenstellung (B) und der Geschlossenstellung (A) verstellbar und mittels einer Federanordnung (9) schwingend gelagert ist.
Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (3) mittels der Federanordnung (9) in eine Mittelstellung bringbar ist.
Abgasrückführventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (3) einen Ventilschaft (5) und ein Ventilteller (6) aufweist.
Abgasrückführventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ventilschaft (5) ein Federteller (12) angebracht ist, an dem die Federanordnung (9) angreift.
Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (9) zwei Federelemente (10,11) aufweist, von denen das eine (11) in die Geschlossenstellung (A) und das andere (10) in die Offenstellung (B) wirkt.
Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und mit einem Abgasrückführventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, mit mehreren Zylindern und mit zu den jeweiligen Zylindern führenden Ansaugkanälen, welche von wenigstens einer gemeinsamen Ansaugleitung ausgehen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung (19) in Strömungsrichtung vor den einzelnen Ansaugkanälen (21) ein Abgasrückführventil (1) angeordnet ist.
Verfahren zum Rückführen von Abgas von einer Abgasleitung zu einer Ansaugleitung in einer Brennkraftmaschine durch das Öffnen eines Abgasrückführventils, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführventil (1) über einen Teilbereich des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine (13) geöffnet und geschlossen wird.