DE19500474A1 - Method for controlling and using the heat content of the exhaust gases from internal combustion engines, in particular the piston type - Google Patents
Method for controlling and using the heat content of the exhaust gases from internal combustion engines, in particular the piston typeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Nut zung des Wärmeinhalts der Abgase von Verbrennungsmotoren, inbesondere der Kolbenbauart, mittels eines parallel zur Ab gasleitung angeordneten Abgas-Kühlmittel-Wärmetauschers und einer in der Abgasleitung angeordneten Stauvorrichtung, wobei in Betriebszeiten mit Wärmebedarf ein Absperrventil in dem zum Wärmetauscher parallelen Hauptstrang der Abgasleitung ge schlossen wird.The invention relates to a method for control and groove the heat content of the exhaust gases from internal combustion engines, especially the piston type, by means of a parallel to the Ab Exhaust gas coolant heat exchanger and gas line arranged a stowage device arranged in the exhaust pipe, wherein a shut-off valve in the ge main line of the exhaust pipe parallel to the heat exchanger is closed.
Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird die Wärme zur Kabinenheizung in der Regel über einen Kühlmittel-Heizluft- Wärmetauscher dem Kühlmittel entnommen. Bei effizienten Ver brennungsmotoren, insbesondere bei direkteinspritzenden Die selmotoren, wird nur wenig Verlustenergie an das Kühlmittel abgegeben, so daß z. B. im Stadtverkehr nur selten ein ausrei chendes Wärmeangebot für die Kabinenheizung zur Verfügung steht.In motor vehicles with an internal combustion engine, the heat becomes Cabin heating usually via a coolant-hot air Heat exchanger removed from the coolant. With efficient ver internal combustion engines, especially with direct injection die selmotor, there is little loss of energy to the coolant given so that z. B. rarely enough in city traffic The available heat for the cabin heating is available stands.
Es ist bereits bekannt, den Wärmeinhalt der Abgase zur Erwär mung des Kühlmittels über einen Abgas-Kühlmittel-Wärmetau scher zu nutzen. Dabei ist es außerdem z. B. aus der DE 32 25 373 C2 bekannt, durch ein dem Wärmetauscher in dem über ihn führenden Bypass nachgeschaltetes, federbelastetes Drossel ventil den Staudruck im Abgasstrom zu erhöhen, wodurch der Wärmefluß im Motor sowie die Temperatur der Abgase erhöht wird, so daß der Abgaswärmetauscher ein höheres Wärmeangebot erhält und die Druckerhöhung eine effizientere Umsetzung er möglicht.It is already known to heat the heat content of the exhaust gases Coolant through an exhaust gas coolant heat exchanger harder to use. It is also z. B. from DE 32 25 373 C2 known through a the heat exchanger in the above him leading bypass downstream, spring-loaded throttle valve to increase the dynamic pressure in the exhaust gas flow, which causes the Heat flow in the engine and the temperature of the exhaust gases increased is, so that the exhaust gas heat exchanger a higher heat supply receives and the pressure increase a more efficient implementation possible.
Diese Maßnahme ist generell auch beim Kaltstart von Vorteil, wo es nicht nur zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen, sondern bei niedrigen Umgebungstempera turen auch für die Wirkung der Kabinenheizung erwünscht ist, daß der Motor und somit auch das Kühlmittel möglichst bald seine Betriebstemperatur erreicht. This measure is generally also advantageous during a cold start, where it's not just for reducing fuel consumption and Pollutant emissions, but at low ambient temperatures is also desirable for the effect of the cabin heating, that the engine and thus the coolant as soon as possible reaches its operating temperature.
Es stellt sich demnach allgemein die Aufgabe, die bei hochef fizienten Dieselmotoren bereits bekannte Verfahrensweise, das Wärmeangebot an einem Abgaswärmetauscher durch Rückstau der Abgase zu erhöhen, auch für Ottomotoren nutzbar zu machen.It is therefore generally the task that hochef efficient diesel engines already known procedure, the Heat supply on an exhaust gas heat exchanger through backflow Increase exhaust gases, also usable for gasoline engines.
Bei Ottomotoren steht im Gegensatz zu hocheffizienten Diesel motoren während der weit überwiegenden Betriebszeit ein aus reichendes Wärmeangebot zur Verfügung, so daß nur beim Kalt start und während Betriebsphasen mit niedriger Last und nied riger Drehzahl eine Druckerhöhung im Abgasstrom sinnvoll ist.With petrol engines stands in contrast to highly efficient diesel engines on during the vast majority of the operating time enough heat available so that only when cold start and during operating phases with low load and low higher speed, a pressure increase in the exhaust gas flow is sensible.
Bei bekannten Anordnungen zur Durchführung derartiger Verfah ren mit einem Drosselventil hat die progressive Kennlinie der Ventilfeder zur Folge, daß mit zunehmender Belastung des Mo tors und mit zunehmender Drehzahl auch der Staudruck und als Folge auch der Brennstoffverbrauch zunimmt, was zumindest bei Ottomotoren zu einer unwirtschaftlichen Betriebsweise führt, die derzeit bei diesen Betriebszuständen nur durch die Umge hung des Wärmetauschers und der den Rückstau verursachenden Vorrichtung vermieden werden kann.In known arrangements for performing such a procedure with a throttle valve has the progressive characteristic of Valve spring with the result that with increasing load of the Mo tors and with increasing speed also the dynamic pressure and as Consequence also increases fuel consumption, which is at least Otto engines lead to an uneconomical mode of operation, the currently only in these operating conditions by the reverse of the heat exchanger and those causing the backflow Device can be avoided.
Es ist andererseits bei Motoren mit Abgasrückführung er wünscht, möglichst kaltes Abgas rückzuführen, was den Einsatz eines Abgaskühlers erforderlich macht. Der Abgaswärmetau scher könnte die Funktion des Abgaskühlers übernehmen, wenn nicht die beim Ottomotor während der überwiegenden Betriebs zeit eher nachteilige Wirkung der Stauvorrichtung mit in Kauf genommen werden müßte.On the other hand, it is in engines with exhaust gas recirculation wishes to recycle the coldest possible exhaust gas, what the use of an exhaust gas cooler. The exhaust gas heat rope shear could take over the function of the exhaust gas cooler if not that of the gasoline engine during most of the operation rather adverse effect of the storage device in purchase should be taken.
Es stellt sich somit die Aufgabe, das eingangs genannte Ver fahren und die zu seiner Durchführung erforderliche apparati ve Ausstattung so auszugestalten, daß mit relativ geringen Kosten eine möglichst variable Anpassung an die unterschied lichen Betriebsbedingungen bei hocheffizienten, direktein spritzenden Dieselmotoren ebenso wie bei Ottomotoren möglich ist. Dabei sollen sich durch die vielseitige Anwendbarkeit hohe Stückzahlen und eine damit verbundene Kostensenkung er reichen lassen.It is therefore the task of ver drive and the apparatus necessary for its implementation ve equipment so that with relatively low Costs a variable adjustment to the difference operating conditions with highly efficient, direct spraying diesel engines as well as gasoline engines is. This should be due to its versatility high quantities and a related cost reduction let pass.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren so auszugestalten, daß bei Betrieb der Stauvorrich tung der Staudruck an den Wärmebedarf angepaßt wird, der bei niedriger Motorlast hoch ist und umgekehrt.In particular, the invention is based on the object To design the process so that the Stauvorrich in operation tion of the dynamic pressure is adapted to the heat demand, which at low engine load is high and vice versa.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Rückstau des den Wärmetauscher durchfließenden Abgas stroms in Abhängigkeit vom Volumenstrom degressiv geregelt wird.The solution to this problem is, according to the invention, that the backflow of the exhaust gas flowing through the heat exchanger flow is degressively controlled depending on the volume flow becomes.
Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß der Rückstau des den Wärmetauscher durchfließenden Abgasstroms aufgehoben wird, sobald ein vorgegebener Grenzwert über schritten wird.An advantageous embodiment is that the Backflow of the exhaust gas flow flowing through the heat exchanger is canceled as soon as a predetermined limit value exceeds is taken.
Nach einer ersten Variante wird der Rückstau des den Wärme tauscher durchfließenden Abgasstroms aufgehoben, sobald die Motortemperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.According to a first variant, the back pressure of the heat Exchanger flowing exhaust gas flow as soon as the Motor temperature exceeds a predetermined limit.
Bei Anordnungen mit einem das An- und Abschalten eines Küh lers steuernden Kühlmittelthermostaten besteht eine andere Variante darin, daß der Grenzwert die Abschalttemperatur des Kühlmittelthermostaten ist.In the case of arrangements with a cooling on and off There is another control coolant thermostat Variant in that the limit value is the switch-off temperature of the Coolant thermostat.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß der Rück stau des Abgasstroms gegenläufig zur Motorleistung geregelt wird.An expedient embodiment is that the back congestion of the exhaust gas flow regulated in the opposite direction to the engine output becomes.
Erfindungsgemäß besteht eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bei Verbrennungsmotoren, insbesondere der Kolben bauart, mit einem parallel zur Abgasleitung angeordneten Ab gas-Kühlmittel-Wärmetauscher und einem in der Abgasleitung angeordneten Abgasdrosselventil mit einem entgegen dem Abgas druck durch eine Rückstellkraft belasteten Ventilkörper, und mit einem in dem zum Wärmetauscher parallelen Hauptstrang der Abgasleitung angeordneten Absperrventil darin, daß die ein ander zugeordneten Querschnitte von Ventilgehäuse und Ventil körper des Abgasdrosselventils unter Bildung eines Systems von Engpässen derart bemessen sind, daß mit zunehmender Ven tilbewegung entgegen der Rückstellkraft die vom Staudruck beaufschlagte Fläche des Ventilkörpers zunimmt.According to the invention there is an arrangement for carrying out the Process for internal combustion engines, in particular the piston type, with an Ab arranged parallel to the exhaust pipe gas-coolant heat exchanger and one in the exhaust pipe arranged exhaust gas throttle valve with a counter to the exhaust gas pressure by a restoring force loaded valve body, and with one in the main strand parallel to the heat exchanger Exhaust line arranged shut-off valve in that the one other assigned cross sections of valve housing and valve Exhaust throttle valve body to form a system of bottlenecks are such that with increasing ven til movement against the restoring force from the dynamic pressure acted area of the valve body increases.
Durch passende Dimensionierung kann auf diese Weise mit zu nehmender Öffnungsbewegung des Ventils der Staudruck gesenkt werden, der erforderlich ist, um das Ventil entgegen der Wir kung der Ventilfeder geöffnet zu halten, weil die Angriffs fläche des Drucks auf das Ventil zunimmt und somit die der Schließkraft der Feder entgegenwirkende Druckkraft größer wird.By appropriate dimensioning, this can also help increasing opening movement of the valve the back pressure is reduced that is required to turn the valve against the we Keep the valve spring open because of the attack area of the pressure on the valve increases and thus that of Closing force of the spring counteracting pressure force greater becomes.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die Eng pässe, der Querschnitt des Ventilkörpers und die Rückstell kraft so aufeinander abgestimmt sind, daß bei hohem Volumen strom die vom Staudruck beaufschlagte Fläche des Ventilkör pers mindestens so groß ist, daß der zur Aufrechterhaltung dieser Öffnungsstellung erforderliche Staudruck nicht größer ist als der zur Öffnung des Ventils erforderliche Staudruck.An advantageous embodiment is that the narrow passports, the cross section of the valve body and the reset are matched to each other so that at high volume current the area of the valve body affected by the dynamic pressure pers is at least large enough to maintain back pressure required in this open position is not greater is the back pressure required to open the valve.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß das Ventilgehäuse eine in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers gerichtete Einströmöffnung mit im Vergleich zum Querschnitt des Ventilkörpers geringem Querschnitt und eine Kammer zur Aufnahme des beweglichen Ventilkörpers mit einer unter Bil dung eines Ringspalts den Durchtritt des Ventilkörpers ge stattenden Ausströmöffnung aufweist, wobei nach einer zweck mäßigen Weiterbildung die Kammer im Ventilgehäuse und die Ausströmöffnung den gleichen Querschnitt aufweisen.Another advantageous embodiment is that the valve housing one in the direction of movement of the valve body directed inflow opening compared to the cross section of the valve body of small cross section and a chamber for Inclusion of the movable valve body with one under Bil formation of an annular gap ge the passage of the valve body has outflow opening, according to a purpose moderate training the chamber in the valve housing and the Outflow opening have the same cross section.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist es, daß die Kammer im Ventilgehäuse einen größeren Querschnitt aufweist als die Ausströmöffnung. Another advantageous embodiment is that the chamber in the valve housing has a larger cross section than that Outflow opening.
Vorzugsweise weist der Ventilkörper einen gleichbleibenden Querschnitt auf.The valve body preferably has a constant one Cross section on.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Rückstellkraft abschaltbar.According to a particularly advantageous embodiment, the Restoring force can be switched off.
Dabei ist bei einer Anordnung mit einer zur Erzeugung der Rückstellkraft dienenden Ventilfeder vorzugsweise die Ventil feder auf einem in Wirkungsrichtung der Feder verstellbaren Widerlager abgestützt.It is in an arrangement with one to generate the Restoring force serving valve spring preferably the valve spring on an adjustable in the direction of action of the spring Abutment supported.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Ventilfeder zwischen zwei relativ zueinander durch Strömungsmitteldruck verstellbaren Widerlagern eingespannt ist, wobei eines der Widerlager dem Ventilkörper zugeordnet ist. Zweckmäßigerweise können die Widerlager einander gegen überliegende Stirnwände einer in ihrem Volumen veränderbaren, mit einer Vakuumquelle verbindbaren Kammer sein.A particularly advantageous embodiment consists in that the valve spring between two relative to each other Fluid pressure adjustable clamps clamped is, one of the abutments assigned to the valve body is. The abutments can expediently counter to one another overlying end walls of a volume that can be changed, can be connected to a vacuum source chamber.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bei Verbrennungsmotoren, insbe sondere der Kolbenbauart, mit einem parallel zur Abgasleitung angeordneten Abgas-Kühlmittel-Wärmetauscher und einem in der Abgasleitung angeordneten Abgasdrosselventil mit einem ent gegen dem Abgasdruck durch eine Rückstellkraft belasteten Ventilkörper, und mit einem in dem zum Wärmetauscher paralle len Hauptstrang der Abgasleitung angeordneten Absperrventil, besteht darin, daß die Rückstellkraft in Anhängigkeit vom Öffnungsweg des Ventilkörpers abnimmt.Another variant of the arrangement according to the invention Implementation of the process in internal combustion engines, esp special of the piston type, with a parallel to the exhaust pipe arranged exhaust gas coolant heat exchanger and one in the Exhaust line arranged exhaust throttle valve with an ent against the exhaust gas pressure by a restoring force Valve body, and with one in the parallel to the heat exchanger len main line of the exhaust pipe arranged shut-off valve, is that the restoring force depending on Opening path of the valve body decreases.
Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß der Ventilkörper eine Drehklappe ist und die Rückstellkraft der art über einen Hebel an der Drehklappe angreift, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Wirkungslinie der Rückstell kraft und der Drehachse der Klappe mit zunehmender Klappen öffnung abnimmt, und daß das resultierende Drehmoment aus Rückstellkraft und wirksamem Hebelarm degressiv ist.An advantageous embodiment is that the Valve body is a rotary valve and the restoring force of the Art attacks via a lever on the rotary flap that the effective lever arm between the line of action of the reset force and the axis of rotation of the flap with increasing flaps opening decreases, and that the resulting torque is off Restoring force and effective lever arm is degressive.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.Based on the following description of the in the drawing Embodiments of the invention shown will this explained in more detail.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgassystems ei nes Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, Fig. 1 is a schematic representation of the exhaust system ei nes internal combustion engine of the piston type,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine als Kol benventil ausgebildete Stauvorrichtung in einer der Schließstellung nahen Stellung, Figure 2 is a schematic cross-section through a close as Kol benventil trained storage device in a closed position of the position.,
Fig. 3 das Ventil nach Fig. 2 in einer Zwischenstellung, Fig. 3, the valve according to Fig. 2 in an intermediate position,
Fig. 4 das Ventil nach den Fig. 2 und 3 nahe der maximalen Öffnungsstellung, Fig. 4, the valve of FIGS. 2 and 3 close to the maximum opening position,
Fig. 5 eine andere Ausführungsform eines Kolbenventils in einer der Schließstellung nahen Stellung, Fig. 5 shows another embodiment of a piston valve in the closed position close position,
Fig. 6 eine Zwischenstellung des in Fig. 5 gezeigten Ven tils, Fig. 6 shows an intermediate position of the Ven in Fig. 5 shown TILs
Fig. 7 das Ventil nach den Fig. 5 und 6 in einer der Öff nungsstellung nahen Stellung, Fig. 7 shows the valve of FIGS. 5 and 6 in one of the Publ drying posture close position,
Fig. 8 ein als Stauvorrichtung dienendes Drehklappenventil im Längsschnitt und Fig. 8 is a damper serving rotary valve in longitudinal section and
Fig. 9 eine schematische Ansicht der Federanordnung zur degressiven Belastung der Drehklappe des in Fig. 9 gezeigten Ventils, wobei sich das Ventil in Schließstellung befindet. FIG. 9 is a schematic view of the spring arrangement for degressive loading of the rotary flap of the valve shown in FIG. 9, the valve being in the closed position.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist mit einem Verbrennungsmotor 10 eine Abgasleitung 12 verbunden, in der beispielsweise ein Abgas konverter 14 angeordnet ist. Parallel zum Hauptstrang der Abgasleitung 12 ist in einem Bypass 16 ein Abgas-Kühlmittel- Wärmetauscher 18 angeordnet. In dem zum Bypass 16 parallelen Hauptstrang 20 der Abgasleitung 12 ist ein Absperrventil 22 vorgesehen, das in geschlossenem Zustand das Abgas über den Wärmetauscher 18 leitet.As shown in FIG. 1, an exhaust pipe 12 is connected to an internal combustion engine 10 , in which, for example, an exhaust gas converter 14 is arranged. An exhaust gas coolant heat exchanger 18 is arranged in a bypass 16 parallel to the main line of the exhaust gas line 12 . In the main line 20 of the exhaust line 12 parallel to the bypass 16 , a shut-off valve 22 is provided, which in the closed state conducts the exhaust gas via the heat exchanger 18 .
Um entsprechend dem Wärmebedarf durch einen Rückstau der Ab gase den Wärmefluß im Motor und die Temperatur der Abgase zu erhöhen, muß die Abgasleitung eine regelbare Stauvorrichtung enthalten. In Fig. 1 sind für die Anordnung der Stauvorrich tung in Form eines Drosselventils 24a (Fig. 2-4), 24b (Fig. 3-7) oder 24c (Fig. 8 und 9) stromab vom Wärmetauscher 18 zwei alternative Einbaupositionen 26a und 26b gezeigt, wobei in Position 26a das Drosselventil nur in Funktion treten kann, wenn der Abgasstrom über den Wärmetauscher 18 geleitet wird, während sich die Position 26b stromab von der Einmün dung der Bypassleitung 16 in den Hauptstrang 20 und dadurch stets im Abgasstrom befindet.In order to increase the heat flow in the engine and the temperature of the exhaust gases according to the heat demand by a backflow of the gases, the exhaust pipe must contain a controllable accumulation device. In Fig. 1 for the arrangement of the Stauvorrich device in the form of a throttle valve 24 a ( Fig. 2-4), 24 b ( Fig. 3-7) or 24 c ( Fig. 8 and 9) downstream of the heat exchanger 18 two alternatives Installation positions 26 a and 26 b shown, wherein in position 26 a, the throttle valve can only function if the exhaust gas flow is passed through the heat exchanger 18 , while the position 26 b downstream of the mouth of the bypass line 16 in the main line 20 and thereby always in the exhaust gas flow.
Die Position 26a führt dazu, daß bei drosselnder Funktion des Ventils der Druck stromauf vom geschlossenen Absperrventil 22 höher ist als stromab vom Absperrventil 22, so daß der Druck unterschied insbesondere bei hohem Staudruck zu Leckverlusten am Absperrventil 22 führt und damit die Effizienz des Rück staus beeinträchtigt.The position 26 a leads to the fact that with throttling function of the valve, the pressure upstream of the closed shut-off valve 22 is higher than downstream of the shut-off valve 22 , so that the pressure difference, particularly at high dynamic pressure, leads to leakage losses at the shut-off valve 22 and thus the efficiency of the back jam impaired.
Die Position 26b hat zur Folge, daß auch bei hohem Staudruck beiderseits des geschlossenen Absperrventils 22 der gleiche Druck herrscht, so daß dieses Absperrventil verfahrenstech nisch abgedichtet ist und der volle Abgasstrom dem Drossel ventil in der Position 26b zugeführt wird. Ein weiterer Vor teil der Position 26b zeigt sich bei beengten Raumverhältnis sen, weil das Drosselventil an jeder beliebigen Stelle strom ab von der Einmündung der Bypassleitung 16 in den Hauptstrang 20 angeordnet werden kann.The position 26 b has the result that the same pressure prevails on both sides of the closed shut-off valve 22 even at high dynamic pressure, so that this shut-off valve is procedurally sealed and the full exhaust gas flow is supplied to the throttle valve in position 26 b. Another part of position 26 b shows itself in a confined space ratio because the throttle valve can be arranged at any point downstream from the confluence of the bypass line 16 and the main line 20 .
In Verbindung mit der Position 26b des Drosselventils wird vorzugsweise in der Bypassleitung 16 ein mit geringer Feder kraft belastetes Absperrventil angeordnet, das sich öffnet, sobald durch Schließen des Absperrventils 22 das Abgas über den Wärmetauscher 18 geleitet wird. Dieses Absperrventil kann beispielsweise an der Position 26a angeordnet werden. Es verhindert, daß bei geöffnetem Absperrventil 22 ein Teil des Abgases über den Wärmetauscher 18 strömt und dadurch den Kühler belastet, was insbesondere dann unerwünscht ist, wenn bei Vollast und hohen Außentemperaturen die Kühlerkapazität voll in Anspruch genommen wird.In connection with position 26 b of the throttle valve, a shut-off valve loaded with a low spring force is preferably arranged in the bypass line 16 , which opens as soon as the exhaust gas is passed over the heat exchanger 18 by closing the shut-off valve 22 . This shut-off valve can be arranged, for example, at position 26 a. It prevents a part of the exhaust gas from flowing over the heat exchanger 18 when the shut-off valve 22 is open, thereby loading the cooler, which is particularly undesirable if the cooler capacity is fully utilized at full load and high outside temperatures.
Das Drosselventil 24 ist derart ausgebildet, daß der Rückstau mit zunehmendem Volumenstrom abnimmt. Hierzu werden drei Ausführungsbeispiele näher erläutert.The throttle valve 24 is designed such that the backflow decreases with increasing volume flow. For this purpose, three exemplary embodiments are explained in more detail.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen schematisch eine Ventilvariante 24a mit einem Ventilgehäuse 30a mit einer Einströmöffnung 32 am Ende eines Einströmkanals 34, einer hinter der Einströmöff nung 32 angeordneten, im Querschnitt erweiterten Ventilkammer 36a und einer der Einströmöffnung 32 gegenüberliegenden Aus strömöffnung 38a, deren Querschnitt dem der Ventilkammer 36a gleicht. Der Einströmkanal 34 ist in Form eines kurzen Rohr stutzens 40 etwas in das Innere der Ventilkammer 36a verlän gert und bildet dort einen Sitz für einen Ventilkörper 42, der von einer Druckfeder 44 beaufschlagt entgegen der Durch flußrichtung zwischen Einströmöffnung 34 und Ausströmöffnung 38a vorgespannt ist und unter der Wirkung der Feder 44 am Rohrstutzen 40 aufsitzt, sofern der Abgasdruck nicht in der Lage ist, die Kraft der Feder 44 zu überwinden. Der Quer schnitt des Ventilkörpers 42 ist so bemessen, daß zwischen seinem Umfang und der Innenwandung der Ventilkammer 36a ein den Abfluß des Abgases ermöglichender Ringspalt 46a besteht. Figs. 2 to 4 schematically show a valve variant 24 a arranged with a valve housing 30 a having an inflow opening 32 at the end of inlet channel 34, a voltage behind the Einströmöff 32, enlarged in the cross-sectional valve chamber 36 a and one of the inflow flow orifice 32 opposite from 38 a, the cross section of which is similar to that of the valve chamber 36 a. The inflow channel 34 is in the form of a short pipe socket 40 somewhat extended into the interior of the valve chamber 36 a and forms there a seat for a valve body 42 which is biased by a compression spring 44 against the direction of flow between the inflow opening 34 and outflow opening 38 a and is seated under the action of the spring 44 on the pipe socket 40 if the exhaust gas pressure is not able to overcome the force of the spring 44 . The cross section of the valve body 42 is dimensioned such that between its circumference and the inner wall of the valve chamber 36 a, an outflow of the exhaust gas enables an annular gap 46 a.
Wenn das Ventil 24a geschlossen ist, beaufschlagt der Druck des Abgases auf dem Ventilkörper 42 nur eine Fläche, die dem Querschnitt der Einströmöffnung 34 entspricht. Die Kraft der bei geschlossenem Drosselventil 24a ihre größte Einbaulänge einnehmenden Druckfeder 44 und die in geschlossener Ventil stellung vom Abgas beaufschlagte Fläche des Ventilkörpers 42 bestimmen den Öffnungsdruck des Ventils 24a. Sobald sich das Ventil 24a öffnet, kann das Abgas über einen mit dem Ventil hub zunehmenden Radialspalt 48 zu dem während der Bewegung des Ventilkörpers 42 in der Ventilkammer 36a gleichbleiben den, axial verlaufenden Ringspalt 46a strömen und von dort seinen Weg durch die Abgasleitung 12 (Fig. 1) fortsetzen, wobei sich der Druck im Radialspalt 48 in Abhängigkeit vom Hub des Ventilkörpers 42 ändert, d. h. mit zunehmender Entfer nung des Ventilkörpers 42 vom Rohrstutzen 40 abnimmt, während der Druck im Ringspalt 46a unabhängig vom Hub ist. Durch den Rohrstutzen 40 mit seiner relativ geringen, dem Ventilkörper 42 gegenüberliegenden Stirnfläche wird gewährleistet, daß in der Anfangsphase der Ventilöffnung der Staudruck nur vom Querschnitt der Einströmöffnung 32 bestimmt wird und nicht von der gesamten, dem Ventilkörper gegenüberliegenden Quer schnittsfläche der Ventilkammer.When the valve 24 a is closed, the pressure of the exhaust gas on the valve body 42 acts only on an area which corresponds to the cross section of the inflow opening 34 . The force of the compression spring 44 , which takes up its greatest installation length when the throttle valve 24 is closed, and the area of the valve body 42 acted upon by the exhaust gas in the closed valve position determine the opening pressure of the valve 24 a. Once the valve 24 a opens, the exhaust gas can have a hub with the valve increasing radial gap 48 to the during movement of the valve body 42 in the valve chamber 36 a 46 remain the same the axially extending annular gap a flow and from there its way through the exhaust pipe 12 ( Fig. 1) continue, the pressure in the radial gap 48 changes depending on the stroke of the valve body 42 , ie decreases with increasing distance of the valve body 42 from the pipe socket 40 , while the pressure in the annular gap 46 a is independent of the stroke. Through the pipe socket 40 with its relatively small, the valve body 42 opposite end face ensures that in the initial phase of the valve opening, the dynamic pressure is determined only by the cross section of the inflow opening 32 and not by the entire cross-sectional area of the valve chamber opposite the valve body.
Die Feder 44 befindet sich im Inneren eines Zylinders 52, der an einer Stirnseite von einer Membran 53 abgeschlossen wird, die einerseits mit der Wandung des Zylinders 52 und anderer seits mit einer Platte 55 am Ende eines Stößels 54 verbunden ist, an dessen anderem Ende sich der Ventilkörper 42 befin det. Die Feder 44 erstreckt sich zwischen der Platte 55 und der der Membran 53 gegenüberliegenden Stirnfläche des Zylin ders 52. Solang die Funktion des Ventils 24a aufrechterhal ten werden soll, wird der Ventilkörper 42 durch die Feder 44 belastet. Soll die Wirkung des Drosselventils 24a bzw. des nachfolgend noch beschriebenen Ventils 24b aufgehoben werden, wird über eine Leitung 56 der Zylinder 52 mit einem Vakuum verbunden, wodurch die Membran mit dem Stößel 54 soweit in den Zylinder 52 zurückgezogen wird, daß das Drosselventil frei durchströmt werden kann.The spring 44 is located inside a cylinder 52 which is closed at one end by a membrane 53 which is connected on the one hand to the wall of the cylinder 52 and on the other hand to a plate 55 at the end of a plunger 54 , at the other end thereof the valve body 42 is det. The spring 44 extends between the plate 55 and the diaphragm 53 opposite end face of the cylinder 52nd As long as the function of the valve 24 a is to be maintained, the valve body 42 is loaded by the spring 44 . If the effect of the throttle valve 24 a or the valve 24 b described below is canceled, the cylinder 52 is connected to a vacuum via a line 56 , whereby the diaphragm with the plunger 54 is retracted into the cylinder 52 to the extent that the throttle valve can be freely flowed through.
Die Fig. 3 zeigt die Stellung des Ventilkörpers 42 vor dem Verlassen der Ventilkammer 36a. Wenn der Ventilkörper 42 die Ventilkammer 36a verläßt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, verschwindet der Ringspalt 46a und es entsteht ein anderer Radialspalt 50 zwischen der Öffnungskante 57 der Ventilkammer 36a und dem Ventilkörper 42, der sich mit zunehmendem Ventil hub vergrößert. Fig. 3 shows the position of the valve body 42 before leaving the valve chamber 36 a. When the valve body 42 leaves the valve chamber 36 a, as shown in Fig. 4, the annular gap 46 a disappears and there is another radial gap 50 between the opening edge 57 of the valve chamber 36 a and the valve body 42 , which stroke with increasing valve enlarged.
Diese Ventilkonstruktion ist so abgestimmt, daß sich bei re lativ geringem Ventilhub ein sanfter Übergang zwischen den verschiedenen, sich degressiv zum Ventilhub verhaltenden Staudruckwerten ergibt, obwohl die von der Druckfeder 44 er zeugte Gegenkraft mit zunehmendem Ventilhub zunimmt.This valve construction is coordinated so that there is a smooth transition between the various, declining to valve lift dynamic pressure values at relatively low valve lift, although the counterforce generated by the compression spring 44 increases with increasing valve lift.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch ein Drosselventil 24b mit einem Ventilgehäuse 30b, bei welchem der Einströmkanal 34 wieder in einem Rohrstutzen 40 ausmündet. Die Ausströmöff nung 38b der Ventilkammer 36b wird von einer ringförmigen Rippe 39 an der Wandung der Ventilkammer 36b auf einen Quer schnitt begrenzt, der nur geringfügig größer ist als die ent sprechende Abmessung des Ventilkörpers 42. Wenn der Stau druck auf die von der Einströmöffnung 32 freigegebene Fläche des Ventilkörpers 42 den Gegendruck der Feder 44 überwindet, bildet sich ein Radialspalt 48, der mit fortschreitender Öff nungsbewegung des Ventilkörpers 42 zunimmt, wobei das Abgas über einen axial verlaufenden Ringspalt 46b zwischen dem Ven tilkörper 42 und der Wandung der Ventilkammer 36b zur Aus strömöffnung 38b gelangen kann. Diese Ausströmöffnung 38b wird aber bereits nach einem kurzen Ventilhub vom Ventilkör per 42 erreicht und auf einen gegenüber dem Ringspalt 46a wesentlich geringeren, ebenfalls axial verlaufenden Ringspalt 46b verkleinert, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Erst wenn der Ventilkörper 42 den Bereich der Rippe 39 verlassen hat (Fig. 7), bildet sich ein sich mit fortschreitender Bewegung des Ventilkörpers 42 vergrößernder Radialspalt 50. Figs. 5 to 7 show schematically a throttle valve with a valve housing 24 b 30 b, in which the inflow passage 34 opens out again into a pipe socket 40th The Ausströmöff opening 38 b of the valve chamber 36 b is limited by an annular rib 39 on the wall of the valve chamber 36 b to a cross section which is only slightly larger than the corresponding dimension of the valve body 42nd When the back pressure on the surface of the valve body 42 released from the inflow opening 32 overcomes the counterpressure of the spring 44 , a radial gap 48 is formed which increases with the progressive opening movement of the valve body 42 , the exhaust gas via an axially extending annular gap 46 b between the Ven valve body 42 and the wall of the valve chamber 36 b can reach the outflow opening 38 b. However, this outflow opening 38 b is already reached after a short valve stroke from the valve body by 42 and is reduced to an annular gap 46 b, which is substantially smaller than the annular gap 46 a and also axially extending, as shown in FIG. 6. Only when the valve body 42 has left the area of the rib 39 ( FIG. 7), does a radial gap 50, which increases with the progressive movement of the valve body 42 , form.
Diese Ventilkonstruktion verbindet mit einem größeren Ventil hub einen scharfen Übergang von Hoch- auf Niederdruck durch den Wechsel der Druckfläche vom Querschnitt der Einströmöff nung 32 auf die Stirnfläche des Ventilkörpers 42.This valve construction connects with a larger valve hub a sharp transition from high to low pressure by changing the pressure area from the cross section of the inlet opening 32 to the end face of the valve body 42nd
Die Ventilkonstruktionen nach den Fig. 2 bis 7 geben den Durchflußquerschnitt auch in der geöffneten Ventilstellung nicht völlig frei, weshalb für den Einbau in den Abgashaupt strom, d. h. in der Position 26b, weniger geeignet sind, viel mehr ist für ihre Anwendung die Position 26a vorzuziehen. The valve designs shown in FIGS. 2 to 7 give the flow area in the open valve position not completely free, so current for installation in the exhaust gas main, ie in the position 26 b, are less suitable, much more is known for its application, the position 26 a preferable.
Für die Position 26b sollte ein Ventil verwendet werden, das in Öffnungsstellung den Durchflußquerschnitt möglichst wenig einschränkt, wie dies bei einem Drehklappenventil der Fall ist. Die Fig. 8 und 9 zeigen ein Beispiel für den Einsatz eines Drehklappenventils als degressive Stauvorrichtung, wo bei die Konstruktion besonders einfach und kostengünstig ist.For position 26 b, a valve should be used which limits the flow cross-section as little as possible in the open position, as is the case with a rotary flap valve. FIGS. 8 and 9 show an example of the use of a rotary flap valve as degressive storage device, where is particularly simple and inexpensive in construction.
Die rohrförmige Abgasleitung 12 ist in dem für den Einbau des Drosselventils 24c vorgesehenen Bereich derart getrennt, daß die beiden voneinander getrennten Rohrabschnitte 12a und 12b einen die Einfügung einer Ventilklappe 60 ermöglichenden Ab stand voneinander aufweisen, der durch eine übergeschobene Rohrmuffe 62 überbrückt wird. Diese Ventilklappe 60 kann als einfaches Stanzteil ausgebildet sein und ist mit einer Dreh achse 64 verbunden, die an der Muffe 62 gelagert und auf ei ner Seite zur Verbindung mit einem Stell- oder Steuerungsme chanismus aus der Muffe 62 herausgeführt ist.The tubular exhaust pipe 12 is separated in the area provided for the installation of the throttle valve 24 c in such a way that the two separate pipe sections 12 a and 12 b have the insertion of a valve flap 60 from one another, which is bridged by a pushed-on pipe sleeve 62 . This valve flap 60 can be designed as a simple stamped part and is connected to a rotary axis 64 which is mounted on the sleeve 62 and on one side for connection to an actuating or control mechanism is guided out of the sleeve 62 .
Die Rohrmuffe 62 und die in sie eingreifenden Rohrabschnitte 12a und 12b bilden zusammen das Ventilgehäuse 66.The pipe sleeve 62 and the pipe sections 12 a and 12 b engaging in it together form the valve housing 66 .
Die Ventilklappe 60 hält ringsum einen so ausreichenden Ab stand von der Innenwandung des Ventilgehäuses 68, daß dieser die freie Beweglichkeit sichernde Abstand auch nicht durch die im Betrieb unter Wärmeeinfluß zu erwartenden Maßänderun gen überwunden werden kann.The valve flap 60 holds all around such a sufficient distance from the inner wall of the valve housing 68 that this freedom of movement ensuring distance can not be overcome by the changes in measurement to be expected during operation under the influence of heat.
Beim gezeigten Beispiel erstreckt sich die Ventilklappe 60 in ihrer Schließstellung senkrecht zur Durchflußrichtung bzw. Achse der Muffe 62 und in dieser Schließstellung liegt die Ventilklappe 60 in Schließrichtung an den ihr zugewandten Rändern der beiden Rohrabschnitte 12a und 12b an. Damit die Ventilklappe 60 diese Schließstellung unbehindert von den Rohrabschnitten 12a und 12b erreichen kann, müssen diese im Bewegungsbereich der Ventilklappe 60 Ausnehmungen 70 bzw. 72 aufweisen, die beim gezeigten Beispiel dadurch geschaffen sind, daß die Ränder der Rohrabschnitte 14 und 16 auf der einen bzw. anderen Seite der Drehachse 64 mit einem als An schlagkante 74 bzw. 76 dienenden Abschnitt an die Drehachse 64 herangeführt sind und dabei - um in der Öffnungsstellung eine zur Durchflußrichtung parallele Lage der Ventilklappe 60 zu ermöglichen - mindestens einen der halben Dicke der Ven tilklappe 60 entsprechenden Abstand vom Drehzentrum einhal ten.In the example shown, the valve flap 60 extends perpendicular to the flow direction or axis of the sleeve 62 in its closed position and in this closed position the valve flap 60 lies in the closing direction on the edges of the two pipe sections 12 a and 12 b facing it. So that the valve flap 60 can reach this closed position unhindered by the pipe sections 12 a and 12 b, these must have recesses 70 and 72 in the range of movement of the valve flap 60 , which are created in the example shown in that the edges of the pipe sections 14 and 16 on the one or the other side of the axis of rotation 64 are brought up to the axis of rotation 64 with a portion serving as an impact edge 74 or 76 and thereby - in order to enable a position of the valve flap 60 parallel to the direction of flow - in the open position - at least one half the thickness of the ven Keep the flap 60 at an appropriate distance from the turning center.
Die Drehachse 64 ist derart außermittig im Strömungskanal an geordnet, daß der entgegen dem Abgasdruck an der Anschlagkan te 74 anliegende Teil der Ventilklappe 60 eine größere Fläche aufweist als der in Richtung des Abgasdrucksdrucks an der An schlagkante 76 anliegende Teil, so daß der Abgasdruck ein die Ventilklappe öffnendes Drehmoment erzeugt und die Ventilklap pe 60 nur durch eine diesem Drehmoment entgegengesetzt wirk same Rückstellkraft in geschlossener Stellung gehalten werden kann, bis das aus dem Abgasdruck resultierende Drehmoment die Rückstellkraft überwindet.The axis of rotation 64 is arranged so eccentrically in the flow channel that the part of the valve flap 60 which bears against the exhaust pressure at the stop flange 74 has a larger area than the part which bears in the direction of the exhaust gas pressure at the edge 76 , so that the exhaust gas pressure is a Valve opening torque is generated and the valve flap 60 can only be held in the closed position by a restoring force acting counter to this torque until the torque resulting from the exhaust gas pressure overcomes the restoring force.
Der jeweils anschließende Abschnitt 80 bzw. 78 ist unter Bil dung einer Stufe soweit gegenüber der Anschlagkante 74 bzw. 76 zurückgesetzt, daß der Schwenkbereich der Ventilklappe 60 freigehalten wird, damit sich diese unbehindert zwischen Schließ- und Öffnungsstellung bewegen kann.The respective subsequent section 80 and 78 is formed by forming a step so far against the stop edge 74 or 76 that the pivoting range of the valve flap 60 is kept free so that it can move freely between the closed and open positions.
Die Fig. 9 zeigt schematisch den mit dem Drosselventil 24c ausgerüsteten Leitungsabschnitt 12, aus dem die Drehachse 64 herausragt. Die Drehachse 64 hat einen abgewinkelten Endab schnitt, der einen Hebelarm 90 bildet. Am freien Ende des Hebelarms 90, das weiter von der Achse 92 des Leitungsab schnitts 12 entfernt ist als das den Hebelarm 90 tragende Ende der Achse 64, greift eine die Ventilklappe 60 in die der gezeigten Stellung des Hebelarms 90 entsprechende Schließ stellung vorspannende Feder 94 an, die an einem Schwenklager 96 abgestützt ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Drehachse 64 und der Wir kungslinie der Feder 94 mit zunehmender Öffnung der Ventil klappe 60 abnimmt, so daß das resultierende Drehmoment aus Federkraft und wirksamem Hebelarm degressiv ist. FIG. 9 schematically shows the line section 12 equipped with the throttle valve 24 c, from which the axis of rotation 64 protrudes. The axis of rotation 64 has an angled Endab section, which forms a lever arm 90 . At the free end of the lever arm 90 , which is further away from the axis 92 of the line section 12 than the end of the axis 64 carrying the lever arm 90 , a valve flap 60 engages in the closing position prestressing spring 94 corresponding to the position of the lever arm 90 shown which is supported on a pivot bearing 96 . The arrangement is such that the effective lever arm between the axis of rotation 64 and the line of action of the spring 94 decreases with increasing opening of the valve flap 60 , so that the resulting torque from the spring force and effective lever arm is degressive.
Das Drehklappenventil nach den Fig. 8 und 9 gibt in geöffne tem Zustand den Durchströmquerschnitt völlig frei und eignet sich deshalb besonders für die Anordnung im geradlinig ver laufenden, durchgehenden Hauptstrang der Abgasleitung, in dem im Regelfall Querschnittsbeschränkungen unerwünscht sind. Dabei muß jedoch eine gewisse aerodynamische Instabilität des Drehklappenventils in Kauf genommen werden. Diese aerodyna mische Instabilität ist bei den Ventilkonstruktionen nach den Fig. 2 bis 7 nicht anzutreffen. Allerdings geben diese Venti le den vollen Strömungsquerschnitt auch in geöffnetem Zustand nicht frei, sie eigenen sich daher insbesondere für die Ein bauposition 26a außerhalb des Abgas-Hauptstrangs 20.The butterfly valve according to FIGS. 8 and 9 are in geöffne system state the throughflow completely free and therefore particularly suitable for the arrangement in the straight ver ongoing, continuous primary line of the exhaust pipe, in the cross-sectional restrictions are undesirable as a rule. However, a certain aerodynamic instability of the rotary flap valve must be accepted. This aerodynamic instability is not to be found in the valve constructions according to FIGS. 2 to 7. However, these valves do not release the full flow cross section even in the open state, and are therefore particularly suitable for the installation position 26 a outside the main exhaust gas line 20 .
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