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Die
Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem
für eine
selbstzündende
Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbolader, welches ein Abgasrückführventil
aufweist, das in einem Abgasrückführkanal angeordnet
ist, wobei das Abgasrückführventil
ein Gehäuse
und eine Ventilstange aufweist, die sich von einer Kammer einer
Stelleinrichtung durch einen Führungskörper hindurch
in ein Gehäuse
des Abgasrückführkanals
erstreckt, in dem zumindest ein Ventilsitz angeordnet ist, der mit
jeweils einem Ventilschließkörper, der
in dem in den Abgasrückführkanal ragenden
Bereich der Ventilstange angeordnet ist, derart zusammen wirkt,
daß sich
der zumindest eine Ventilschließkörper bei
Betätigen
der Stelleinrichtung vom jeweiligen korrespondierenden Ventilsitz
abhebt oder auf diesen senkt, wodurch ein Abgasstrom von einem Abgaskrümmer zu
einem Saugrohr steuerbar ist.
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Abgasrückführsysteme
zum Rückführen von an
den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepassten
Abgasmengen zur Reduzierung der umweltschädlichen Anteile, insbesondere
Stickoxyde im Abgas einer Dieselverbrennungskraftmaschine sind allgemein
bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben.
Die rückgeführte Abgasmenge
wird bei diesen Systemen durch ein Abgasrückführventil gesteuert, welches
in einer Abgasrückführleitung
angeordnet ist, die einen Abgaskrümmer der Verbrennungkraftmaschine
mit einem Saugrohr verbindet. Die Abgasrückführventile bestehen in der Regel
aus einer Stelleinrichtung die in Wirkverbindung mit einer Ventilstange
steht, die über
einen Führungskörper in
einem Gehäuse
des Ventils geführt
wird und an ihrem der Stelleinrichtung entgegen gesetzte Ende zumindest
einen Ventilschließkörper aufweist,
der mit einem entsprechendem Ventilsitz korrespondiert. Die meisten
Abgasrückführventile
sind dabei so ausgeführt,
daß die Führungsbuchse
im geschlossenen Zustand des Ventils in dem Frischluft enthaltenden
Bereich angeordnet ist und von der Abgasseite durch den Ventilschließkörper getrennt
ist. Bei einem Öffnen
des Ventils also einem Abheben des Ventilschließkörpers vom Ventilsitz strömt jedoch
Abgas in Richtung des Saugrohres, so daß eine Verbindung des rußhaltigen Abgases
zur Führungsbuchse
entsteht, wodurch sich nicht zuletzt aufgrund der Temperaturunterschiede Ablagerungen
an der Ventilstange beziehungsweise in der Führungsbuchse bilden, die die
Funktion des Ventils beeinträchtigen
können.
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Zur
Vermeidung solcher Ablagerungen am Ventilstössel beziehungsweise im Führungskörper, die
bei Dieselmotoren üblich
sind, aber auch zur Verhinderung von Funktionsstörungen an elektrischen Bauteilen,
wie Elektromagneten oder Potentiometern durch Abgasbestandteile
wurden verschiedene Vorschläge
gemacht. So wurde neben der bekannten Ventilstangenabdichtung durch
einen Radialdichtring, der jedoch schon nach kurzer Laufzeit verschleißt und so
seine dichtende Funktion nicht mehr erfüllt, in der
DE 43 38 192 A1 vorgeschlagen,
im Bereich der Reingasseite eine Rippe anzuordnen, die den Führungskörper vor
Wärmestrahlung
und Verschmutzung schützen
soll. Zusätzlich
ist die Ventilstange mit einer elastischen Membran verbunden, die
die Stellkammer gegenüber
dem Abgasauslaß abdichten
soll. Eine solche Ausführung
ist jedoch vom Aufbau her sehr aufwendig, da zur Abdichtung des
Ventilkörpers
mehrere zusätzliche
Bauteile verwendet werden müssen.
Insbesondere erfordert die Anordnung der abdichtenden Membran zusätzlichen Montageaufwand
und die Herstellung eines Gehäuses
mit Rippe im Vergleich zu einem Gehäuse ohne Rippe höhere Kosten.
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So
wurde in der
DE 196
37 078 A1 sowie in der
DE 101 17 413 A1 vorgeschlagen, einen geschlossenen
Raum oberhalb des Führungskörpers eines
Abgasrückführventils
durch eine Bohrung mit der Atmosphäre zu verbinden, so daß der Druck
im besagten Raum bei einer üblichen
Dieselbrennkraftmaschine größer ist
als der Druck in der Abgasrückführleitung
bei geöffnetem
Ventil. Dadurch entsteht eine Sperrströmung vom geschlossenen Raum
oberhalb des Führungskörpers entlang
der Ventilstange zwischen Führungskörper und
Ventilstange zur Abgasrückführleitung.
Während
in der
DE 196 37 078 A1 die
Bohrung direkt an dem den Raum umschließenden Gehäuse angeordnet ist, wird dies
in der
DE 101 17 413 unter
Zwischenschaltung eines Rückschlagventils
mit einer im Gehäuse
der Stelleinheit angeordneten Bohrung verwirklicht, welche mit dem Raum
in fluidischer Verbindung steht. In der
DE 196 37 078 A1 weist
der zum Führungskörper gelegene Ventilschließkörper zusätzlich einen
Kragen auf, der um die Führungsbuchse
herum angeordnet ist und so Ablagerungen verhindern soll.
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Derartige
Ausführungen
sind jedoch für
eine turboaufgeladene Dieselverbrennungskraftmaschine nicht geeignet,
da der Druck, der im Bereich der Abgasrückführleitung anliegt, deutlich
größer ist
als der Atmosphärendruck.
Des weiteren besteht die Gefahr von Ablagerungen zwischen dem Kragen
des Ventiltellers und der Führungsbuchse.
Bei auftretenden Druckpulsationen bei geöffnetem oder geschlossenem
Ventil können
Drücke
oberhalb des Atmosphärendrucks
entstehen, so daß für diesen
Zeitpunkt keine Abdichtung sicher gestellt ist.
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In
der
DE 197 03 168
A1 wird ein Abgasrückführventil
für Dieselbrennkraftmaschinen
beschrieben, welches pneumatisch betätigt wird. Die Ventilstange
ragt dabei von einer Überdruckkammer über einen
Führungskörper in
den Bereich der Abgasrückführleitung.
Die Ventilstange weist eine Bohrung auf, die bei geöffnetem
Ventil eine fluidische Verbindung zwischen einer Ausnehmung im Bereich
des Führungskörpers und
der Überdruckkammer
herstellt. Dadurch strömt
Spülluft
von der Überdruckkammer
in den Bereich der Führungsbuchse,
so daß Ablagerungen
auf der Ventilstange beziehungsweise innerhalb der Führungsbuchse
vermieden werden sollen. Der Überdruck
zum Betätigen
des Ventils, der in der Überdruckkammer
anliegt, wird dabei aus vorhandenen Bremshilfseinrichtungen entnommen.
Es besteht jedoch der Nachteil der Schwächung der Ventilstange durch
die Bohrung sowie zusätzliche
Verfahrensschritte bei der Herstellung der Ausnehmung in der Führungsbuchse
und der Bohrungen in der Ventilstange.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Abgasrückführsystem zur Verfügung zu
stellen, welches für
turboaufgeladene selbstzündende
Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden kann, wobei der Herstellungs-
und Montageaufand im wesentlichen mit herkömmlichen Abgasrückführventilen
vergleichbar sein soll. Gleichzeitig sollen Ablagerungen im Bereich
der Ventilstange beziehungsweise des Führungskörpers zuverlässig in
jedem Betriebszustand des Abgasrückführventils
also auch bei geschlossenem Abgasrückführventil, wenn Restanteile
des Abgases nach wie vor im Bereich des Führungskörpers auftreten können, vermieden
werden, wodurch die Funktionssicherheit und Lebensdauer erhöht wird.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß das Abgasrückführsystem
eine fluidische Verbindung zwischen der Auslaßseite des Turboladers und
einem Spalt zwischen der Ventilstange und dem Führungskörper des Abgasrückführventils
aufweist. Somit liegt in dem Spalt ein Druck an, der in jedem Betriebszustand
des Ventils größer ist
als der im Abgasrückführkanal
anliegende Druck. Durch das entstehende Druckgefälle strömt ständig Spülluft entlang der Ventilstange
durch die Führungsbuchse,
so daß in
jedem Betriebszustand des Ventils vermieden wird, daß von der
Abgasseite rußhaltige
Luft entlang der Ventilstange in umgekehrte Richtung, also zur Stelleinrichtung
strömen
kann. Hierdurch werden Ablagerungen an der Ventilstange oder in
der Führungsbuchse
zuverlässig
vermieden. Dieses Druckgefälle wird
insbesondere dadurch sicher gestellt, daß die Abgasrückführleitung
hinter einem Ladeluftkühler
in das Saugrohr geführt
wird, so daß neben
dem normalen Druckverlust durch die Leitung zusätzlich der über einen Ladeluftkühler entstehende
Druckverlust als Differenzdruck zwischen dem Spalt und dem Abgasrückführkanal
anliegt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist an der dem Ventilschließkörper abgewandten
Seite des Führungskörpers ein
Raum angeordnet, der fluidisch mit der Auslaßseite des Turboladers und
dem Spalt verbunden ist. So entsteht ein Spülluftstrom durch den in dem
Raum anliegenden Druck der Auslaßseite des Turboladers entlang
des gesamten Spaltes zwischen Führungsbuchse
und Ventilstange. Der Aufbau und die Montage eines solchen Systems
ist einfach und preiswert, da mit Ausnahme der Anschlußleitung
keine zusätzlichen
Bauteile im Vergleich zu einem herkömmlichen Abgasrückführsystem
verwendet werden müssen.
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In
einer alternativen Ausführung
weist der Führungskörper entlang
seines inneren Durchmessers eine Nut auf, die über einen bestimmten Abschnitt
den Spalt verbreitert und die über
eine Bohrung durch den Führungskörper und
die Gehäuse
mit der Auslaßseite
des Turboladers fluidisch verbunden ist. Bei einer solchen Ausführung wird
ein Spülluftstrom
entlang des Spaltes ebenso wie bei der vorgenannten Ausführung sichergestellt,
wobei der Raumbedarf eines solchen Ventils zusätzlich minimiert wird.
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Sollte
bei auftretenden Pulsationen der Druck im Spalt kleiner werden als
der in dem von Abgas durchströmten
Raum des Abgasrückführventils anliegende
Druck so kann ein Radialwellendichtring den Spalt in Richtung der
Stelleinrichtung abdichten.
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Gleichzeitig
erhöht
der Radialwellendichtring auch den Widerstand in Richtung der Stelleinheit,
so daß die
Strömung
durch das normalerweise anliegende Druckgefälle von der Nut entlang des
Spaltes in Richtung des Abgasrückführkanals
verstärkt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Stelleinrichtung des Abgasrückführventils elektromagnetisch
betätigbar,
wodurch ein schnelles Schalten und somit ein schnelles Reagieren
auf Änderungen des
Lastzustandes der Verbrennungskraftmaschine sicher gestellt wird.
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In
einer weiterführenden
Ausführung
weist das Abgasrückführventil
zwei Ventilschließkörper auf,
die auf der Ventilstange hintereinander angeordnet sind und mit
je einem Ventilsitz im Gehäuse
korrespondieren, wobei ein Betätigen
der Ventilschließkörper synchron
erfolgt. Durch eine solche Ausführung
besteht ein Kräftegleichgewicht
an den Ventilschließkörpern in
jedem Betriebszustand des Ventils. Somit ist eine genauere Ansteuerung,
d. h. Öffnung des
Ventils möglich
und somit eine genaue Regelung der Abgasmenge. Des weiteren kann
der elektromagnetische Antrieb verkleinert werden, weil Pulsationen
im Abgasrückführkanal
nicht durch die Stelleinrichtung kompensiert werden müssen.
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Somit
wird ein Abgasrückführsystem
geschaffen, welches Ablagerungen an der Ventilstange verhindert,
im Aufbau klein ist und in Herstellung und Montage kostengünstig ausgeführt ist.
Es eignet sich vor allem für
Turbo-Diesel-Verbrennungskraftmaschinen
und weist eine lange Lebensdauer auf.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
ein Abgasrückführsystem
in schematischer Darstellung.
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2 zeigt
in geschnittener Darstellung ein Abgasrückführventil eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems
mit einem zusätzlichen
Raum oberhalb eines Führungskörpers in
Seitenansicht.
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3 zeigt
in geschnittener Darstellung einen Ausschnitt im Bereich eines Führungskörpers einer
zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems
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Die
in 1 dargestellte Turbo-Diesel-Verbrennungskraftmaschine
besteht aus einem Luftfilter 1 über den Frischluft von außen in das
Luftansaugsystem der Verbrennungskraftmaschine gelangt. Vom Luftfilter 1 strömt die Luft über einen
Turbolader 2, in dem sie verdichtet wird, in einen Ladeluftkühler 3,
in dem die im Turbolader 2 erwärmte Luft gekühlt wird.
Von hier aus strömt
die Luft in einen Sammeleinlaßkanal 4 und über Einzelansaugkanäle 5 zu
den vier Zylindern 6 der Verbrennungskraftmaschine. Nach
der Verbrennung der angesaugten Luft mit beispielsweise in die Zylinder
direkt eingespritztem Kraftstoff gelangt das dabei entstehende Abgas
zu einem Abgaskrümmer 7 und
von hier in die nicht dargestellte Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine.
Am Abgaskrümmer 7 ist
zusätzlich
ein Abgasrückführkanal 8 angeordnet, über den
ein Teil des Abgases zum Sammeleinlaßkanal 4 zurückströmen kann.
Die rückgeführte Abgasmenge
wird dabei über ein
Abgasrückführventil 9 geregelt.
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Das
Abgasrückführventil 9 ist
dabei in einer ersten Ausführungsform
gemäß 2 so
aufgebaut, daß ein
Raum 10 mit der Druckseite beziehungsweise der Auslaßseite 11 des
Turboladers 2 verbunden ist, so daß im geschlossenen Raum 10 ein
Druck p1 anliegt, der im wesentlichen dem
Druck p1 an einer Auslaßseite 11 des Turboladers 2 entspricht.
Dieser Druck p1 ist zu jedem Zeitpunkt größer als
ein Druck p2, der an der Auslaßseite des
Ladeluftkühlers 3 und somit
gleichzeitig im wesentlichen in der Abgasrückführleitung 8 anliegt.
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Das
in 2 dargestellte Abgasrückführventil 9 ist als
Doppeltellerventil ausgeführt,
welches elektromagnetisch betätigt
wird und in ein Gehäuse 12 des
Abgasrückführkanals 8 eingelassen
ist. Es besteht aus einem Gehäuse 13 welches
den Abgasrückführkanal 8 über zwei
Ventilschließkörper 14, 15 und
den mit den Ventilschließkörpern 14, 15 korrespondierenden
Ventilsitzen 16, 17, welche im Gehäuse 13 angeordnet
sind, im geschlossenen Zustand im wesentlichen in drei Bereiche
trennt. Dabei gelangt das Abgas in eine Abgaskammer 18,
die im geschlossenen Zustand durch die Ventilschließkörper 14, 15 von
zwei Mischkammern 19, 20 die in den Sam meleinlaßkanal 4 münden, getrennt
ist. Treten nun Druckpulsationen im Bereich des Sammeleinlaßkanals 4 oder
des Abgaskrümmers 7 auf,
die sich jeweils im Abgasrückführkanal 8 fortsetzen,
so haben diese keinerlei öffnende
oder schließende
Wirkung auf das Abgasrückführventil 9,
da die auftretenden Drücke
an den Ventilschließkörpern 14, 15 jeweils eine
gleich große
Kraftangriffsfläche
durch die Ventilschließkörper 14, 15 aufweisen,
die Kraft jedoch jeweils in die entgegengesetzten Richtungen wirkt.
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Die
Ventilschließkörper 14, 15 sind
auf einer Ventilstange 21 fest angeordnet, wobei der erste Ventilschließkörper 14 am
ersten Ende der Ventilstange 21 angeordnet ist und der
zweite Ventilschließkörper 15 in
einem Bereich unterhalb eines Absatzes der Ventilstange 21.
Die Ventilstange 21 wird über einen Führungskörper 22 im Ventil 9 geführt, wobei
durch das notwendige Spiel zwischen Ventilstange 21 und
Führungskörper 22 ein
Spalt 23 entsteht. Die Ventilstange 21 ist mit
ihrem oberen Ende mit einem Anker 24 einer elektromagnetischen Stelleinrichtung 25 verbunden.
Der Führungskörper 22 ist
in einer Bohrung des Gehäuses 13 fest
angeordnet. Auf der den Ventilschließkörpern 14, 15 abgewandten
Seite des Führungskörpers 22 befindet
sich der im Gehäuse 13 gebildete
geschlossene Raum 10 der über einen Anschluß 26 und
eine Druckleitung 27 mit der Auslaßseite 11 des Turboladers 2 verbunden ist.
Im geschlossenen Raum 10 ist des weiteren eine Druckfeder 28 angeordnet
ist, die über
einen Teller 29, der fest auf der Ventilstange 21 angeordnet
ist, eine Schließkraft
auf die Ventilstange 21 ausübt. Diese Schließkraft muß bei Betätigen des
Elektromagneten zur Öffnung
des Ventils 9 überwunden
werden. Zur Öffnung
des dargestellten elektromagnetischen Abgasrückführventils 9 ist somit
immer die Kraft dieser Druckfeder 28 zu überwinden,
so daß bei
Ansteuerung der elektromagnetischen Stelleinrichtung 25 jeweils
für eine
bestimmte Öffnungshöhe des Ventils 9 ein
vordefinierter Strom zur Verfügung
gestellt werden muß.
Dadurch ist eine sehr exakte Einstellung des rückgeführten Abgasstromes möglich.
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Es
ist des weiteren deutlich zu erkennen, daß nun im geschlossenen Raum 10 jeweils
der Druck p1 der hinter dem Turbolader 2 anliegt,
ansteht. In der Mischkammer 19, in der das zweite Ende
des Führungskörpers 22 angeordnet
ist, liegt bei geschlossenem Abgasrückführventil 9 der Druck
p2 des Saugrohres an, der um den Betrag
des über
den Ladeluftkühler 3 abfallenden
Druckes kleiner ist. Hierdurch wird sicher gestellt, daß ein Luftstrom
vom geschlossenen Raum 10 aufgrund des Druckgefälles in die
Mischkammer 19 strömt.
Durch die aufgrund des immer anliegenden Druckgefälles strömende Sperrluft
wird sicher gestellt, daß weder
im geschlossenen Zustand des Ventils 9 eventuell auftretende
Abgasreste noch im geöffneten
Zustand bei Strömung
des Abgases durch die Mischkammer 19 Bestandteile zwischen
Führungskörper 22 und
Ventilstange 21 gelangen können. Der Führungskörper 22 ist dabei
so ausgeführt,
daß er
möglichst
nah an den oberen Ventilschließkörper 14 heran
geführt
ist, so daß eine Zwangsdurchströmung des
Spaltes 23 im gesamten zu verstellenden Bereich der Ventilstange 21 sicher gestellt
wird.
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Die
Herstellungs- und Montagekosten entsprechen bei einer solchen Ausführung im
wesentlichen denen eines herkömmlichen
Abgasrückführventils
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In
einer alternativen Ausführung
gemäß 3 entfällt der
Raum 10. Der Führungskörper 21 weist
stattdessen entlang seines inneren Durchmessers eine Nut 30 auf,
die über
eine Bohrung 31 durch den Führungskörper 22 und die Gehäuse 12, 13 sowie über den
Anschluß 26 mit
der Druckleitung 27 verbunden ist. Die Druckfeder 28 und
der Teller 29 sind dementsprechend im Bereich der Stelleinrichtung 25 angeordnet.
Der über
die Nut 30 durchströmte
Spalt 23 wird über
einen Radialwellendichtring 32 in Richtung der Stelleinrichtung 25 abgedichtet,
so daß wiederum
eine zwangsgeführte
Spülluftströmung in
Richtung des Abgasrückführkanals 8 aufgrund
des Druckgefälles
entsteht.
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Eine
solche Ausführung
entspricht vom Bauraumbedarf im wesentlichen einem herkömmlichen Abgasrückführventil.
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Beide
Ausführungsbeispiele
verdeutlichen die sichere Verhinderung von Ruß- oder anderen Ablagerungen
an der Ventilstange beziehungsweise im Spalt zwischen Führungskörper und
Ventilstange mit einfachen konstruktiven Maßnahmen. Es wird ein schnell
ansprechendes und exakt anzusteuerndes Ventil zur Verfügung gestellt,
welches für
den Einsatz in turboaufgeladenen selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
geeignet ist.
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Es
sollte klar sein, daß Änderungen
bezüglich
des Aufbaus des Ventils zum Beispiel mit einer pneumatischen Stelleinrichtung
ebenso denkbar sind, ohne den Schutzumfang des Hauptanspruchs zu
verlassen.