DE19721993A1 - Exhaust gas recirculation valve with pressure compensation - Google Patents

Exhaust gas recirculation valve with pressure compensation

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Abstract

The invention relates to an exhaust gas recirculation device for recirculating exhaust gases in a gas supply line of an engine, specially a motor vehicle engine, comprising an exhaust gas supply line (5), a fresh gas supply line (2) and an outlet port (4), wherein at least the exhaust gas supply line (5) and the fresh gas supply line (2) are interconnected by means of a control member (69) to measure exhaust gas levels and a pressure plate (44) is arranged on the side of the control member (69) facing the fresh gas supply line. Said pressure plate minimizes the influence of fluctuations in pressure occurring in the exhaust and fresh gas lines and affecting the exhaust gas flow rate.

Description

Otto- und Dieselmotoren, vorrangig solche von Kraftfahrzeugen, werden mit Abgasrückfüh­ rungseinrichtungen (Abgas wird teilweise dem angesaugten Frischgas zugemischt) versehen, um die NOx-Emission zu senken, aber auch um Kraftstoffverbräuche zu verbessern und Ge­ räuschentstehung zu verringern.Otto and diesel engines, primarily those of motor vehicles, are equipped with exhaust gas recirculation equipment (exhaust gas is partially mixed with the fresh gas drawn in), to reduce NOx emissions, but also to improve fuel consumption and Ge reduce noise generation.

Diese Abgasrückführungseinrichtungen enthalten Zumeßorgane, mit denen die Menge des rückgeführten Abgases betriebspunktabhängig eingestellt werden kann. Zu geringe Abgasrück­ führung würde die angestrebten Wirkungen verfehlen, zu große bei Ottomotoren zu Betriebs­ störungen oder einem unerwünschten Anstieg von HC- oder sogar CO-Emissionen führen und bei Dieselmotoren zu einem unerwünschten Anstieg der Partikelemissionen.These exhaust gas recirculation devices contain metering devices with which the amount of recirculated exhaust gas can be adjusted depending on the operating point. Exhaust gas return too low leadership would fail to achieve the desired effects, too great for gasoline engines to operate disturbances or an undesirable increase in HC or even CO emissions and in diesel engines to an undesirable increase in particle emissions.

Solche Zumeßorgane sind in der Regel vollständig schließbare Ventile, die von einer Unter­ druckmembran oder einem Stellmotor eingestellt werden, die ihrerseits über Taktventil oder Relais vom Steuergerät des Motors betätigt werden.Such metering devices are generally completely closable valves, which are of a sub pressure membrane or a servomotor can be set, which in turn via clock valve or Relays are operated by the engine control unit.

Die dazu im Steuergerät verwendeten Informationen sind in der Regel die über Last und Dreh­ zahl des Motors und über die angesaugte Luftmenge.The information used for this in the control unit is usually that about load and rotation number of the engine and the intake air volume.

Die Abgasrückführungsventile liegen als Zumeßorgane zwischen den schwankenden Drücken im Abgassystem und den schwankenden Drücken im Saugsystem des Motors, wobei die Ver­ änderungen dieser Drücke einerseits mit den Veränderungen des Betriebspunktes einhergehen, andererseits vom stoßweisen Austreten des Abgases und vom stoßweisen Ansaugen des Frischgases bestimmt werden.The exhaust gas recirculation valves are located as metering devices between the fluctuating pressures in the exhaust system and the fluctuating pressures in the intake system of the engine, the Ver Changes in these pressures go hand in hand with changes in the operating point, on the other hand, from the intermittent discharge of the exhaust gas and from the intermittent intake of the Fresh gas can be determined.

Diese Druckschwankungen stellen schon für die Zumeßfunktion des Abgasrückführungsventils bei Saugmotoren ein Problem dar. Besonders gravierend wird es allerdings bei aufgeladenen Motoren.These pressure fluctuations already represent the metering function of the exhaust gas recirculation valve A problem with naturally aspirated engines. However, it becomes particularly serious with supercharged engines Engines.

Ein Ziel dieser Erfindung ist daher die Konstruktion eines Abgasrückführungsventils, bei dem die durchfließende Abgasmenge möglichst unabhängig ist von dem an ihm anliegenden Druck­ gefälle. Das zweite Ziel ist, die Betätigung des AGR-Ventils im wesentlichen durch einen elek­ trischen Hubmagneten zu erzielen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie schnell reagieren und den Ventilhub sehr genau einstellen kann.An object of this invention is therefore the construction of an exhaust gas recirculation valve in which the amount of exhaust gas flowing through is as independent as possible of the pressure applied to it gradient. The second goal is to actuate the EGR valve essentially by an elec trical solenoids to achieve. This arrangement has the advantage that they react quickly and can adjust the valve stroke very precisely.

Der Druck an der Einmündung des Abgases in das Frischgas sei p3 und der an der Abzweigung des rückzuführenden Abgases aus dem Abgasstrom p5 (Abb. 1). In allen für die AGR relevanten Betriebspunkten des Motors gilt p5<p3, so daß bei Öffnung des AGR-Ventils Abgas immer in der erwünschten Richtung strömt. Die durchgesetzte AGR-Menge hängt also üblicherweise vom Öffnungsquerschnitt des AGR-Ventils und vom Druckgefälle p5-p3 ab.The pressure at the mouth of the exhaust gas into the fresh gas is p 3 and that at the branch of the exhaust gas to be returned from the exhaust gas stream p 5 ( Fig. 1). In all engine operating points relevant to the EGR, p 5 <p 3 applies, so that exhaust gas always flows in the desired direction when the EGR valve is opened. The amount of EGR passed through usually depends on the opening cross section of the EGR valve and the pressure drop p 5 -p 3 .

Um den Einfluß des Druckgefälles zu eliminieren, wird eine Stauplatte 4 (Abb. 1) eingeführt. Zwischen ihr und dem Ventil herrscht bei geschlossenem AGR-Ventil der Druck p3, bei geöff­ netem Ventil der Druck p3'. Dann gilt p5<p3'<p3. Durch die geeignete Wahl des Durchmessers der Stauplatte 4 und der Gestaltung des Gasübertritts an der Stauplatte kann erreicht werden, daß sich bei Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Druckgefälles p5-p3 der freie Querschnitt am AGR-Ventil 3 gerade um einen solche Betrag verkleinert bzw. vergrößert, daß die durch­ gesetzte AGR-Menge sich nicht ändert. In order to eliminate the influence of the pressure gradient, a baffle plate 4 ( Fig. 1) is introduced. Between it and the valve prevails in the closed EGR valve of the pressure p 3 in geöff NetEm valve of the pressure p 3 '. Then p 5 <p 3 '<p 3 . Through a suitable choice of the diameter of the baffle plate 4 and the design of the gas transfer to the baffle plate, it can be achieved that when the pressure gradient p 5 -p 3 is increased or decreased, the free cross section at the EGR valve 3 is reduced or decreased by such an amount increases that the amount of EGR set does not change.

Ganz offensichtlich ist, daß unter diesen Umständen die Kraft in der Stange 5 stark vom Druckgefälle an Ventil 3 bzw. Stauplatte 4 abhängig ist. Bei geschlossenem Ventil 3 wirkt oh­ ne Kolben 7 und Leitung 8 in der Stange die Kraft, die sich aus dem Druckgefälle p5-p3 und dem Querschnitt des Ventiltellers 3 F3 ergibt, bei geöffnetem Ventil 3 wirkt
It is quite obvious that under these circumstances the force in the rod 5 is strongly dependent on the pressure drop at valve 3 or baffle plate 4 . When the valve 3 is closed, the piston 7 and line 8 act in the rod without force, which results from the pressure drop p 5 -p 3 and the cross section of the valve plate 3 F 3 , when the valve 3 is open

(p5-p3') × F3 + (p3'-p3) × F4,
(p 5 -p 3 ') × F 3 + (p 3 ' -p 3 ) × F 4 ,

wobei F4 die wirksame Querschnittsfläche der Stauplatte 4 ist. Eine Kompensation von
where F 4 is the effective cross-sectional area of the storage plate 4 . A compensation of

(p5-p3') × F3
(p 5 -p 3 ') × F 3

erfolgt durch Einführung des Kolbens 7 (Abb. 1), wobei vorausgesetzt wird, daß er die gleiche wirksame Fläche wie das Ventil 3 hat.done by inserting the piston 7 ( Fig. 1), assuming that it has the same effective area as the valve 3 .

Weitere Möglichkeiten der Kompensation von (p5-p3') × F3 bestehen darin, Ventilflächen zu verwenden, die in gleicher oder nahezu gleicher Weise und gleichzeitig oder nahezu gleichzei­ tig in Richtung des Abgasstromes und in Gegenrichtung zu ihm öffnen. In einfachster Weise stellt die Drosselklappe (Abb. 2) ein solches Zumeßorgan dar. Ihr Nachteil ist, daß sie im ge­ schlossenen Zustand nicht hermetisch dicht ist.Further possibilities for the compensation of (p 5 -p 3 ') × F 3 are to use valve surfaces which open in the same or almost the same way and simultaneously or almost simultaneously in the direction of the exhaust gas flow and in the opposite direction to it. In the simplest way, the throttle valve ( Fig. 2) represents such a metering device. Its disadvantage is that it is not hermetically sealed in the closed state.

Weitere Möglichkeiten bestehen in der Anordnung von linear oder auf Kreisbögen geführten in und gegen Abgasrichtung gleichzeitig bewegten Ventiltellern (Abb. 3) oder in der Wahl eines Kegel- oder Kugelventils (Abb. 4).Other options are the arrangement of valve disks that are moved linearly or on circular arcs in and against the exhaust gas direction ( Fig. 3) or the choice of a cone or ball valve ( Fig. 4).

Die Ausführung mit dem Ausgleichskolben 7 (Abb. 1) hat die Nachteile, nicht reibungsfrei zu sein und daß auch bei geschlossenem Ventil 3 noch eine Verbindung zwischen den Räumen 2 und 1 besteht, so daß noch Abgas auf die Saugseite des Motors fließen kann. Sie können dazu führen, Kolben 7 durch eine Membran 7' (Abb. 5) zu ersetzen, die den gleichen oder einen anderen wirksamen Querschnitt als Kolben 7 hat. Wenn der wirksame Querschnitt von Mem­ bran 7' anders, z. B. größer ist, muß zwischen der Membran und der Stange 5 eine Überset­ zung geschaffen werden, z. B. eine Hebelübersetzung 9, so daß die größere Kraft F7' × p5 auf die alte Kolbenkraft F7 × p5 herunterübersetzt wird.The version with the compensation piston 7 ( Fig. 1) has the disadvantages of not being free of friction and that even when the valve 3 is closed, there is still a connection between the rooms 2 and 1 , so that exhaust gas can still flow to the intake side of the engine. They can cause piston 7 to be replaced by a membrane 7 '( FIG. 5) which has the same or a different effective cross section as piston 7 . If the effective cross section of Mem bran 7 'different, e.g. B. is larger, a translation must be created between the membrane and the rod 5 , z. B. a lever ratio 9 , so that the greater force F 7 '× p 5 is translated down to the old piston force F 7 × p 5 .

Eine entsprechende Lösung ist auch beim Kolben empfehlenswert, wenn seine wirksame Fläche von der des Ventils abweicht. Eine Hebelkinematik ist insbesondere bei Membranen zweck­ mäßig, weil die in der Regel nur kleinere Hübe machen können.A suitable solution is also recommended for the piston if its effective area differs from that of the valve. Lever kinematics are particularly useful for membranes moderate, because they can usually only make smaller strokes.

Um Bauraumvorteile und Kosteneinsparungen zu erzielen, bzw. mögliche Schadensursachen zu eliminieren, z. B. durch Wegfall der Leitung 8, ist eine Anordnung zweckmäßig, bei der die Membran 7' an die Stelle der Wand 3' (Abb. 1) tritt (so geschehen in Abb. 6 und 7). Der Dreh­ punkt 10 (Abb. 6) für die Hebelübersetzung 9 ist hier über den Stern 11 starr mit den ortsfe­ sten Rohrleitungen verbunden.To achieve space advantages and cost savings, or to eliminate possible causes of damage, e.g. B. by elimination of the line 8 , an arrangement is expedient in which the membrane 7 'takes the place of the wall 3 ' ( Fig. 1) (so happened in Figs. 6 and 7). The fulcrum 10 ( Fig. 6) for the lever ratio 9 is here rigidly connected to the most rigid pipelines via the star 11 .

Abb. 6 zeigt gleichzeitig eine zweckmäßige Ausgestaltung der Stauplatte 4, so daß aus akusti­ schen und Abstimmungsgründen möglichst wenig Abgas um den Außenrand der Stauplatte herumtritt, sondern hauptsächlich durch die dafür vorgesehenen Strömungsöffnungen 12. Fig. 6 shows an expedient design of the baffle plate 4 , so that for acoustic and voting reasons as little exhaust gas as possible around the outer edge of the baffle plate, but mainly through the designated flow openings 12th

Eine sich an Abb. 6 anlehnende Ausführungsform zeigt Abb. 7. Hier werden die Hebel 9 über die Stangen 13 betätigt, die aus Gründen des Luftwiderstandes im Saugrohr zweckmäßiger in Strömungsrichtung vor und hinter Stange 5 liegen. Der Hebelmechanismus ist hier wegen der Verschmutzungs- und Korrosionsgefahr sowie aus Temperaturgründen aus dem Bereich ent­ fernt, der durch Abgas bespült wird.An embodiment based on FIG. 6 is shown in FIG. 7. Here, the levers 9 are actuated via the rods 13 , which, for reasons of air resistance in the intake manifold, are more appropriately in front of and behind the rod 5 in the direction of flow. The lever mechanism is removed due to the risk of contamination and corrosion as well as for temperature reasons from the area that is flushed with exhaust gas.

Claims (14)

1. Erfindung der speziellen Ausgestaltung eines Steuerorgans zum Zumessen von Abgas in die Frischluftansauganlage von Motoren, vorrangig für Kraftfahrzeuge, um deren NOx-Emissionen und/oder Kraftstoffverbräuche und/oder Geräuschemissionen zu reduzieren dadurch gekennzeichnet, daß eine Stauplatte 4 (Abb. 1) den Einfluß der Druck­ schwankungen auf der Abgas- und Frischluftseite auf den Abgasdurchsatz, der durch das Steuerorgan bemessen wird, weitgehend eliminiert.1. Invention of the special design of a control member for metering exhaust gas into the fresh air intake system of engines, primarily for motor vehicles, in order to reduce their NO x emissions and / or fuel consumption and / or noise emissions, characterized in that a baffle plate 4 ( Fig. 1) the influence of the pressure fluctuations on the exhaust and fresh air side on the exhaust gas flow rate, which is measured by the control member, largely eliminated. 2. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselklappe 3'' mit mittiger Drosselklappenwelle (Abb. 2) das Steuerorgan dar­ stellt.2. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1, characterized in that a throttle valve 3 '' with a central throttle valve shaft ( Fig. 2) represents the control member. 3. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelventil 3* mit ausschließlich linearer oder ausschließlich radialer Führung der Ventilteller (beides nicht dargestellt) oder einer Kombination aus beidem (Abb. 3), wobei ein Ventilteller in Abgasrichtung, der andere in Gegenrichtung zum Abgas öffnet, das Steuerorgan darstellt.3. Invention for the recirculation of exhaust gas according to claim 1, characterized in that a double valve 3 * with exclusively linear or exclusively radial guidance of the valve plate (neither shown) or a combination of both ( Fig. 3), a valve plate in the exhaust gas direction, the other opens in the opposite direction to the exhaust gas, which represents the control element. 4. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kegel- oder Kugelventil (Abb. 4) das Steuerorgan darstellt.4. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1, characterized in that a cone or ball valve ( Fig. 4) represents the control member. 5. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben 7 (Abb. 1) die Kräfte kompensiert, die aus dem Druckgefälle p5-p3 bzw. p5-p3' auf den Ventilteller 3 ausgeübt werden.5. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1, characterized in that a piston 7 ( Fig. 1) compensates for the forces exerted on the valve plate 3 from the pressure drop p 5 -p 3 or p 5 -p 3 ' . 6. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran 7' (Abb. 5), die Kräfte kompensiert, die aus dem Druckgefälle p5-p3 bzw. p5-p3' auf den Ventilteller 3 ausgeübt werden.6. Invention for the recirculation of exhaust gas according to claim 1, characterized in that a membrane 7 '( Fig. 5), compensates for the forces resulting from the pressure drop p 5 -p 3 or p 5 -p 3 ' on the valve plate 3rd be exercised. 7. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromagnet mit einem Stabmagneten als Anker oder ein Elektromagnet im Zusammenwirken mit einer Feder 6 (Abb. 1) das Ventil 3 betätigt.7. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1 to 6, characterized in that an electromagnet with a bar magnet as an armature or an electromagnet in cooperation with a spring 6 ( Fig. 1) actuates the valve 3 . 8. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Ventil durch einen pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Stellmotor betätigt wird.8. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1 to 6, characterized in that in a conventional manner, the valve by a pneumatic, hydraulic or electric servomotor is operated. 9. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kolben 7 oder Membran 7' über eine kinematische Übersetzung, z. B. eine Hebelübersetzung 9 (Abb. 5) auf das Zumeßorgan 3 wirken, um die Unterschiedlichkeit der wirksamen Flächen zu kompensieren.9. The invention for recycling exhaust gas according to claim 1, 5 and 6, characterized in that the piston 7 or membrane 7 'via a kinematic translation, for. B. a lever ratio 9 ( Fig. 5) act on the metering element 3 to compensate for the difference in the effective areas. 10. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 und 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran 7' an die Stelle der Wand 3' (Abb. 1) tritt (dargestellt in Abb. 6 und 7) und auch über eine geeignete Hebelübersetzung 9 auf das Ventil 3 einwirkt.10. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1 and 6 to 9, characterized in that the membrane 7 'takes the place of the wall 3 ' ( Fig. 1) (shown in Figs. 6 and 7) and also over a suitable lever ratio 9 acts on the valve 3 . 11. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeich­ net, daß allein durch die Federwirkung der Membran 7' unter Wegfall der Feder 6 das Ventil 3 geschlossen wird (Abb. 5) oder durch eine an geeigneter Stelle anzuordnende Feder 6' im Zusammenwirken mit der Membran 7' oder durch eine an geeigneter Stelle anzuordnende Feder 6' bei Entkoppelung der Federwirkung der Membran 7' (siehe Al­ ternative B, Abb. 5).11. Invention for the recirculation of exhaust gas according to claim 6 and 10, characterized in that the valve 3 is closed solely by the spring action of the membrane 7 'with the omission of the spring 6 ( Fig. 5) or by a spring 6 to be arranged in a suitable place 'in cooperation with the membrane 7 ' or by a spring 6 'to be arranged at a suitable location when the spring action of the membrane 7 ' is decoupled (see alternative B, Fig. 5). 12. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 und 6 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kinematik aus Gründen des Temperatur-, Korrosions- und Verschmut­ zungsschutzes auf der dem Abgas abgewandten Seite des Saugrohres, gegebenenfalls so­ gar außerhalb von diesem, angeordnet ist (z. B. Abb. 7).12. Invention for the recirculation of exhaust gas according to claim 1 and 6 to 11, characterized in that the kinematics for reasons of temperature, corrosion and pollution protection on the side facing away from the exhaust gas, possibly even outside of this, arranged is (e.g. Fig. 7). 13. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stauplatte 4 so gestaltet ist, daß möglichst wenig Gas um ihren äußeren Umfang herumtreten kann (Abb. 8), sondern statt dessen durch genau definierte und un­ ter akustischen Gesichtspunkten gestaltete Öffnungen 12.13. Invention for recycling exhaust gas according to claim 1 to 12, characterized in that the baffle plate 4 is designed so that as little gas as possible can pass around its outer circumference ( Fig. 8), but instead by precisely defined and un ter openings 12 designed acoustically. 14. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Stauplatte umfassende Wand in zu ermittelnder Weise nicht oder nicht nur zylindrisch gestaltet ist, um Seiteneffekte zu kompensieren oder gezielt zu erzeugen (Abb. 9).14. Invention for the recirculation of exhaust gas according to claim 1 to 13, characterized in that the wall comprising the baffle plate in the manner to be determined is not designed or not only cylindrical to compensate for side effects or to generate specifically ( Fig. 9).
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