DE19607810A1 - Abgasrückführventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Abgasrückführventil nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einem solchen, durch die DE-A-25 39 484 bekannten Abgasrückführventil ist der elektrische Stellantrieb durch einen Elektromotor verwirklicht, der ein Getriebe antreibt, über das senkrecht zur Antriebsachse des Elektromotors eine Gewindespindel verdreht wird, die in ein entsprechendes Gewinde eines Ventilschaftes des Ventilglieds eingreift. Dabei ist ferner eine Rückmeldeeinrichtung vorgesehen, über die eine Position einer Drosselklappe im Saugrohr der Brennkraftmaschine erfaßt wird.

Diese bekannte Einrichtung ist sehr aufwendig ausgeführt. Sie benötigt einen Elektromotor, ein zusätzliches Getriebe und darüber hinaus noch ein zweites Getriebe, in Form der Gewindespindel. Die Rückmeldeeinrichtung läßt keine genaue Messung der tatsächlich rückgeführten Abgasmenge zu.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Abgasrückführventil nach Patentanspruch 1 wird erreicht, daß der Aufwand für den Stellantrieb dadurch sehr wesentlich verringert wird, daß eine Kompensation der auf das Ventilglied wirkenden Kräfte stromaufwärts des Ventilsitzes einerseits und stromabwärts des Ventilsitzes andererseits erzielbar ist. Die von beiden Drücken beaufschlagte bewegliche Wand gleicht die auf das Ventilglied wirkenden Druckkräfte entsprechend der Auslegung der Fläche der beweglichen Wand aus. In vorteilhafter Weiterbildung erfolgt die Zuleitung des Druckes stromaufwärts des Ventilsitzes in der Abgasrückführleitung über den Kanal im Ventilschaft. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn gemäß Patentanspruch 3 außerdem das Ventilglied entgegen der Abgasströmung öffnet und in Schließstellung durch den Druck in der Abgasrückführleitung in Schließrichtung beaufschlagt ist. Dies ergibt eine besondere Eigensicherheit des Abgasrückführventiles im Falle eines Ausfalls des elektrischen Stellantriebs. In einem solchen Falle wäre die Brennkraftmaschine weiterhin betreibbar, wenn auch nicht mit dem angestrebten Erfolg, die Emission von Schadstoffen im Abgas durch die Abgasrückführung zu reduzieren. Vorteilhaft ist ferner, daß gemäß Patentanspruch 4 das Ventilglied zusätzlich durch die Feder entgegen der Wirkung des Stellantriebs in Schließrichtung beaufschlagt ist, wodurch bei einem Ausfall des elektrischen Stellantriebs das Abgasrückführventil in eine Vorzugsstellung zurückgeführt werden kann.

In besonders vorteilhafter Ausführung besteht der elektrische Stellantrieb aus einem rotierenden Drehantrieb, wie zum Beispiel einem Elektromotor oder Drehmagnet und gemäß Patentanspruch 6 wird vorteilhaft dieser Antrieb über ein Kugelumlaufgetriebe auf den Ventilschaft übertragen, was die erforderlichen Stellkräfte wesentlich reduziert und es ermöglicht, einen sehr kleinen Antrieb, wie zum Beispiel einen Drehmagneten, zu verwenden. In einfacher Ausgestaltung ist die bewegliche Wand als bewegliche Membrane ausgeführt, die sich auf sehr einfache Weise dicht mit der Wand des Gehäuses einerseits und dem Ventilschaft andererseits verbinden läßt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausführung gemäß Patentanspruch 10, wo eine intensive, dichte Verbindung über das Anvulkanisieren an das Mittelstück, das mit dem Ventilschaft verbunden ist, ermöglicht wird. In weiterhin sehr vorteilhafter Weise kann der im Steuerraum herrschende Druck zugleich zur Messung der Abgasrückführmenge verwendet werden, indem er gemäß Patentanspruch 12 einem Differenzdrucksensor zugeführt wird, der andererseits mit einer Druckentnahmestelle an der Abgasrückführleitung verbunden ist, die strömungsberuhigt, vorzugsweise in einem wandnahen, strömungsberuhigten allenfalls laminaren Strömungsbereich des Abgases mündet. Der durch den Ventilschaft gehende Kanal ist demgegenüber der dynamischen Abgasströmung ausgesetzt, die bei geöffneter Stellung des Ventilgliedes einsetzt, und erfaßt den Staudruck, der sich in den Steuerraum fortpflanzt. Dadurch, daß der Steuerraum ein im Gehäuse dicht verschlossener Raum ist und nur Zugang über den Kanal im Ventilschaft zur Abgasrückführleitung hat, sind die Temperaturverhältnisse in diesem Raum so, daß keine allzu hohen Temperaturen auftreten. Die Wärmeableitung erfolgt schnell über das Gehäuse und es erfolgt kein Austausch der Gasmengen im Steuerraum durch neue, heiße Abgase, da sich lediglich der Abgasdruck in den Steuerraum fortpflanzt. Somit wird die Membrane nicht von der aktuellen Abgastemperatur belastet.

In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung wird gemäß Patentanspruch 7 und 8 der elektrische Stellantrieb als Nockenantrieb ausgeführt, bei dem die Koppelung des Ventilschaftes mit dem Nockenantrieb durch die Feder erfolgt. In besonders vorteilhafter Weise ist zwischen dem Nocken und dem Ventilschaft ein Wälzlager zwischengeschaltet, das wiederum eine sehr reibungsarme Übertragung der Drehbewegung des Drehmagneten in eine Hubbewegung des Ventilgliedes bewirkt.

Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, sie werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem elektromagnetischen Drehantrieb und einem nachgeschalteten Kugelumlaufgetriebe und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem elektromagnetischen Drehantrieb, der über einen Nocken auf den Ventilschaft des Abgasrückführventiles wirkt.

Beschreibung

Abgasrückführventile zur Abgasrückführung bei Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise direkt in ein Ansaugsammelrohr der Brennkraftmaschine integriert. Dabei ist es vorteilhaft, Möglichkeiten vorzusehen, das Abgasrückführventil mit Antrieb, Ventilglied und Abgasrückführleitung als Einheit in das Ansaugsammelrohr der Brennkraftmaschine einzubringen. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß ein in das Ansaugsammelrohr einsetzbares Teilstück vorgesehen ist, in dem das Abgasrückführventil integriert beziehungsweise verwirklicht ist oder aber es werden Öffnungen im Ansaugsammelrohr geschaffen, durch die vorzugsweise wiederum eine komplette Einheit des Abgasrückführventils eingesetzt wird. In Fig. 1 ist ein solches nach der ersten Alternative ausgebildetes Teilstück eines Ansaugsammelrohres einer Brennkraftmaschine mit einem Rohr 3 als Schnitt gezeigt. In dieses mündet von unten her eine Abgasrückführleitung 4 rechtwinklig zur Achse des Rohres 3 ein. Die Abgasrückführleitung ist innen, in im Rohr 3 liegenden Bereich als Stutzen 6 ausgebildet, mit einem kopfartig im Durchmesser erweiterten Ende 7, das koaxial zur Achse 8 der Abgasrückführleitung eine Austrittsöffnung 9 aufweist, die von einem ins Innere der Abgasrückführleitung 4 weisenden, kegelförmigen Ventilsitz 10 begrenzt ist. Mit diesem wirkt ein Ventilglied 11 mit ebenfalls kegelförmiger Dichtfläche 12 zusammen, das am Ende eines Ventilschafts 14 angeordnet ist. Das kopfartig erweiterte Ende 7 ist dabei so bemessen, daß das innerhalb dieses Endes 7 liegende Ventilglied seinen maximalen Öffnungshub ausführen kann, und dabei in der geöffneten Endstellung den Zuströmquerschnitt der Abgasrückführleitung so groß beläßt, daß die Abgaszufuhr an dieser Stelle nicht gedrosselt wird.

Der Ventilschaft 15 ragt ausgehend vom Ventilglied 11 diametral durch das Rohr 3 hindurch und tritt dort über eine Bohrung 15 in der Wand des Rohres wieder aus dem Rohr aus. Das herausragende Ende des Ventilschaftes ist fest mit einer Metallplatte 17 verbunden, die als Abstützung einer sich auf der anderen Seite an der Außenwandung des Rohres 3 abstützenden Druckfeder 18 dient. Die Metallplatte ist dabei ein Mittelstück einer daran anvulkanisierten Membrane 20, die an ihrem Außenumfang zwischen einem Stutzen 21, der sich einstückig an der Außenwand des Rohres 3 fortsetzt, und einem Gehäuseteil 22 eines elektrischen Stellantriebs 24 dicht eingespannt ist. Die Membrane 20 schließt als bewegliche Wand dabei im Stutzen 21 einen Druckraum 25 ein, der lediglich über eine Bohrung 26 durch die Wand des Rohres 3 mit dem Inneren des Rohres 3 verbunden ist.

Auf der anderen Seite der Membrane schließt diese zusammen mit dem Gehäuse 22 einen Steuerraum 28 ein, der mit einem axial durch den Ventilschaft 14 gehenden Kanal 29 ständig verbunden ist. Der Kanal verbindet dabei den Steuerraum 22 mit der Abgasrückführleitung 4 stromaufwärts des Ventilsitzes 10. In den Steuerraum ragt koaxial zur Achse des Ventilschaftes 14 eine Drehachse 30 mit einer dichten Durchführung hinein. Am Ende der Drehachse 30 ist ein Kugelumlaufgetriebe 31 angeordnet, das eine Drehbewegung der Achse 30 in eine Hubbewegung umwandelt. Der abtriebsseitige Teil des Kugelumlaufgetriebes ist mit der Metallplatte 17 unter Zwischenlage einer die Membrane schützenden Zwischenscheibe 32 verbunden und dort als feststehender Teil arretiert. Der elektrische Stellantrieb kann ein Elektromotor, ein Schrittmotor oder ein elektromagnetischer Drehsteller sein, wie er zum Beispiel in der DE-C-28 12 292 gezeigt ist. Ein solcher Drehsteller kann noch mit einem Potentiometer 34 zur Rückmeldung der Drehstellung des rotierenden Teiles 35 des Drehantriebes versehen sein. Vorzugsweise wird die Drehachse 30 durch Wälzlager gelagert, um möglichst geringe Reibleistungen aufzubringen. Im Prinzip entspricht das Kugelumlaufgetriebe einem Gewinde mit einem feststehenden, aber längsverschiebbaren und einem rotierend bewegten Teil. Nur weist ein hier vorzugsweise verwendetes Kugelumlaufgetriebe wesentlich geringere Drehwiderstands­ momente auf, was den Einsatz eines weniger aufwendigen, schwächeren Drehantriebs ermöglicht.

In weiterer Ergänzung ist der Steuerraum 28 über einen Verbindungskanal 36 mit einem Differenzdrucksensor 37 verbunden, der über einen zweiten Verbindungskanal 38 mit Abgasrückführleitung 4 stromaufwärts des Ventilsitzes 10 verbunden ist. Der zweite Verbindungskanal mündet dabei in eine Umfangswand des Stutzens 6 ein und erfaßt also einen Bereich der Abgasströmung, der sich in einer strömungsberuhigten, höchstens laminaren Strömungsrandzone befindet und dort somit im wesentlichen nur den statischen Druck des Abgases in der Abgasrückführleitung aufweist. Der Druck, der in dem Steuerraum 22 herrscht, wird hingegen von der Druckentnahmestelle des Kanals 29 bestimmt, der direkt axial der Abgasströmung entgegengerichtet im Stutzen 6 mündet und somit in Offenstellung des Abgasrückführventils den dynamischen Abgasdruck, den Staudruck erfaßt und in den Steuerraum 28 weiterleitet. Aus der Differenz dieser beiden Drücke läßt sich dann in bekannter Weise der Volumenstrom nach dem Pitot-Verfahren messen. Wird in der Abgasrückführleitung ferner stromaufwärts des Ventilsitzes auch noch ein Temperatursensor 39 angeordnet, so kann durch die Einbeziehung der Abgastemperatur in die Messung die Genauigkeit der Volumenstrommessung des Abgasstromes nochmals wesentlich erhöht werden.

Der Kanal 38 verläuft vorzugsweise durch das Innere des Rohres 3, wo er als dünnwandiges Rohr einerseits die Luftansaugung nicht wesentlich stört und andererseits aber vor Beschädigungen gesichert ist.

Die zuvor beschriebene Ausgestaltung des Abgasrückführventiles hat den Vorteil, daß das Abgasrückführventil durch die Druckfeder 18 in Schließrichtung gebracht wird und in dieser Stellung durch den in der Abgasrückführleitung 4 herrschenden Abgasdruck unterstützt wird. Damit die Schließkräfte nicht zu groß werden und somit ein erheblicher Aufwand an Stellkraft nötig wird, wird der Abgasdruck der Abgasrückführleitung in der Steuerraum 28 geleitet, wo er je nach Auslegung der wirksamen Druckfläche den in Schließrichtung wirkenden Abgasdruck ausgleichen kann. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Membrane 20 im Druckraum 25 dem Druck im Inneren des Rohres 3 ausgesetzt, der ebenfalls auf das Ventilglied 11 wirkt, und zwar so lange der Druck im Rohr 3 kleiner ist als der Druck in der Abgasrückführleitung ebenfalls in Schließrichtung des Ventils. Diese über dem Druck im Rohr 3 an dem Ventilglied in Schließrichtung angreifenden Kräfte können nun ebenfalls über die Membrane in Gegenrichtung wirkend kompensiert werden, entsprechend der Auslegung der Membranfläche. Im Ergebnis dazu ist zur Betätigung des Abgasrückführventils nur noch eine geringe Stellkraft erforderlich, die mit einem entsprechend kleiner ausgelegten Stellantrieb verwirklicht werden kann. Dieser Aufwand kann noch kleiner werden, wenn möglichst geringe Reibmomente oder Widerstandsmomente am Antrieb auftreten, was mit dem erwähnten Kugelumlaufgetriebe und der Kugellagerung der Drehachse gewährleistet ist. Zur Einstellung der in Schließkraft wirkenden Rückstellfeder 18 kann die Metallplatte 17 unterschiedlich weit auf den Ventilschaft 14 aufgepreßt werden, was eine stufenlose Einstellung gewährleistet, bei geringem Aufwand. Zugleich stellt dies eine dichte Verbindung zwischen Metallplatte 17 und Ventilschaft, zur pneumatischen Trennung der beiden Räume 28 und 25 dar.

Der elektrische Drehantrieb ist so ausgestattet, daß er im wesentlichen Stellkräfte gegen die Kraft der Rückstellfeder 18 in Öffnungsrichtung des Ventilglieds aufbringen muß. Die Rückstellung erfolgt über die Rückstellfeder. Dazu kann die Erregung des Stellantriebs unterbrochen werden. Mit Hilfe einer magnetischen Rastung kann schließlich unter Einwirkung der Rückstellfeder eine definierte Vorzugsstellung des Abgasrückführventils dann eingestellt werden, wenn die elektrische Ansteuerung des elektrischen Drehantriebes versagen sollte. Diese magnetische Rastung wird vorzugsweise dadurch realisiert, daß eine Ausrichtung mittels eines Permanentmagnetfeldes erzielt wird.

Statt der Ausführung mit einem ins Innere der Abgasrückführleitung öffnenden Ventilglied 11 kann dieses auch als ins Innere des Rohres 3 öffnend ausgeführt werden. Auch in diesem Falle erfolgt ein Druckausgleich am Ventilglied. Das ist dann einzusetzen, wenn bei Ausfall des elektrischen Stellantriebs oder der Steuerung oder bei Ausfall des Druckausgleichs am Ventilglied bei Membranriß eine hohe Abgasrückführrate erzeugt werden soll, um über die Reaktion der Brennkraftmaschine auf diesen Schadensfall aufmerksam zu machen.

Mit dem erfindungsgemäßen Abgasrückführventil, das durch eine Volumenstrommessung ergänzt ist, lassen sich höchst genaue Abgasrückführraten mit geringem Aufwand einstellen. Dabei ist die Art der Messung insbesondere noch genauer als bei einer sonstigen, üblichen Messung an einer Durchströmblende oder beim eingangs erwähnten Stand der Technik.

Besonders vorteilhaft ist die Verlegung des Verbindungskanals zwischen dem Steuerraum 28 und der Abgasrückführleitung durch die Achse des Ventilschaftes und damit entfällt eine zusätzliche gesonderte Leitung, die vor Zerstörung geschützt werden müßte und eine zusätzliche, gesonderte Montage entfällt.

In Fig. 2 ist eine Variante des Abgasrückführventils nach Fig. 1 dargestellt. Dieses Ventil weist im Prinzip denselben Aufbau auf wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit dem Stutzen 6, dem Ventilglied 11, dem Ventilschaft 14 mit Kanal 29, dem Druckraum 25 mit Druckfeder 18, begrenzt von der Membrane 20 und dem sich daran anschließenden Steuerraum 28, der hier jedoch etwas größer ausgebildet ist. Dies hat seinen Grund darin, daß nun statt des Kugelumlaufgetriebes ein Nockenantrieb 41 verwendet wird mit einem Nocken 42, der Teil der Drehachse 130 des elektrischen Stellantriebs 124 ist. Dieser entspricht vollständig dem elektrischen Drehantrieb 24 von Fig. 1 bis auf die Tatsache, daß an dem in den Steuerraum 28 ragenden Ende der Drehwelle 130 dort nun an der Drehwelle 130 ein Nocken 42 angeordnet ist und daß die elektrische Stelleinheit nun rechtwinklig zur Längsachse des Ventilschaftes angeordnet ist. Zur Übertragung der Verstellbewegung des Nockens 42 weist dieser an seinem Umfang ein oder mehrere Kugellager oder Wälzlager 44 auf, mit denen erreicht wird, daß wiederum nur geringe Widerstandsmomente dem Stellantrieb entgegenwirken.

Claims (14)

1. Abgasrückführventil zur Steuerung von Abgasrückführ­ mengen, die der Saugseite einer Brennkraftmaschine über eine Abgasrückführleitung (4) zugeführt werden, die einen Ventilsitz (10) aufweist, mit dem ein von einem elektrischen Stellantrieb (24) betätigtes Ventilglied (11) zusammenwirkt, das am Ende eines durch die Wand eines das rückgeführte Abgas weiterleitenden Rohres (3) hindurchgeführten, von einer Feder (18) belasteten Ventilschafts (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (14) an seinem aus dem Rohr (3) herausführenden Teil mit dem Stell­ antrieb (24) gekoppelt und mit einer beweglichen Wand (20) verbunden ist, die auf ihrer einen Seite einen mit dem Innern des Rohres (3) verbundenen Druckraum (25) begrenzt und diesen von einem sich auf ihrer anderen Seite anschlie­ ßenden, mit der Abgasrückführleitung (4) stromaufwärts des Ventilsitzes (10) verbundenen Steuerraum (28) trennt.

2. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerraum (28) über einen Kanal (29) im Ventilschaft (24) mit der Abgasrückführleitung (4) stromauf­ wärts des Ventilsitzes (10) verbunden ist.

3. Abgasrückführventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (11) mit einem der Abgasrückführströmung entgegengerichteten Ventilsitz (10) zusammenwirkt.

4. Abgasrückführventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgasdruck beaufschlagte Fläche der beweglichen Wand (20) so bemessen ist, daß eine Kompensation des auf das Ventilglied (11) wirkenden Abgasdrucks erfolgt.

5. Abgasrückführventil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (18) den Ventilschaft (14) in Richtung Stellantrieb (24) mit einer Rückstellkraft beauf­ schlagt.

6. Abgasrückführventil nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stelleinrichtung (24) ein rotierender Antrieb ist und über ein Gewinde (31) mit dem Ventilschaft (14) gekoppelt ist.

7. Abgasrückführventil nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewinde als Kugelumlaufgetriebe (31) ausgeführt ist.

8. Abgasrückführventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stelleinrichtung ein rotierender Antrieb ist und über einen Nockenantrieb (41, 42) mit dem Ventilschaft (14) gekuppelt ist.

9. Abgasrückführventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Nockenantrieb einen Drehmagneten (35) und einen von diesem verdrehbaren Nocken (42) aufweist, der vorzugs­ weise über ein Wälzlager entgegen der Kraft der Feder auf den Ventilschaft wirkt.

10. Abgasrückführventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand eine Membran (20) ist, deren Ränder im Gehäuse (21, 22) des Abgasrückführventils eingespannt sind und die über ein den Durchtritt des Kanals ermöglichendes Mittelstück (17) fest mit dem Ventilschaft verbunden ist.

11. Abgasrückführventil nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mittelstück eine Metallplatte (17) ist, die den Ventilschaft (14) umgibt und an der die Membran anvulkanisiert ist.

12. Abgasrückführventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (10) am Ende eines Stutzens (6) angeordnet ist, der das Ende der Abgasrückführleitung bildet und senkrecht in das Rohr ragt, das als Teil des Ansaugsystems der Brennkraftmaschine ausge­ bildet ist.

13. Abgasrückführventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom Steuerraum (28) ein Verbindungskanal (36) abzweigt zu einem Differenzdruck­ sensor (37), der andererseits mit einem zweiten Kanal (38) verbunden ist, der in einer strömungsberuhigte wandnahen Zone der Abgasrückführleitung (4) stromaufwärts des Ventilsitzes (10) einmündet, vorzugsweise in der Umfangswand Stutzens (6) quer zur Abgasströmung einmündet, wobei der Kanal (29) im Ventilschaft (14) in Strömungsrichtung des durch den Stutzen (6) strömenden Abgases liegt und vom Staudruck des anströ­ menden Abgases beaufschlagt wird.

14. Abgasrückführventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (10) und die Dichtfläche (12) des Ventilglieds (11) kegelförmig ausgebildet sind.