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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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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.
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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.
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Eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und
einem erfindungsgemäßen Abgasrückführventil
ist in Anspruch 6 angegeben.
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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.
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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.
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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.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen
Unteransprüchen
so wie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Dabei zeigen:
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1 das
erfindungsgemäße Abgasrückführventil
in seiner Geschlossenstellung;
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2 das
Abgasrückführventil
aus 1 in seiner Offenstellung;
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3 eine
Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführventil; und
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.