DE2534730A1

DE2534730A1 - Verfahren und system zur abgasrezirkulation

Info

Publication number: DE2534730A1
Application number: DE19752534730
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Sugihara; Tadahiro Yamamoto; Kenji Yoneda
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1974-08-05
Filing date: 1975-08-04
Publication date: 1976-02-26
Also published as: DE2534730C3; US4285318A; JPS5117726A; JPS5712018B2; DE2534730B2

Description

Nissan Motor Co., Ltd.

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Verfahren land System zur Abgasrezirkulation

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und ein System zur Abgasrezirkulation in einem Verbrennungsmotor und insbesondere ein Steuerventil zur Steuerung des Massendurchflusses rezirkulierten Abgases in einem solchen System.

Viele moderne Verbrennungsmotore, insbesondere solche, die in Kraftfahrzeuge eingebaut sind, sind mit einem System zum

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Zurückführen eines Teils des Abgases vom Auspuffsystem zum Ansaugsystem des Motors ausgerüstet, das dazu dient, die Konzentrationen der Stickoxide im Abgas zu vermindern. Üblicherweise wird die Menge des rezirkulierten Abgases in einem solchen System mittels eines Strömungssteuerventils gesteuert, dessen Öffnung veränderbar ist und eine kleinste Querschnittsfläche einer Leitung bzw. eines Kanals zur Abgasrezirkulation in Abhängigkeit von einem Signal bestimmt, das den Massendurchfluß in den Motor angesaugter Luft wiedergibt. Bei dieser Art der Steuerung besteht eine Schwierigkeit darin, daß sich der Massendurchfluß des rezirkulierten Abgases selbst bei konstant gehaltener Öffnung des Ventils ändern kann, weil sich die Geschwindigkeit der Gasströmung mit Änderungen des Druckunterschiedes zwischen dem Druck in stromauf gelegenen und dem Druck in stromab gelegenen Abschnitten des Steuerventils ändert. Dies heißt mit anderen Worten, daß sowohl die Höhe des Abgasdrucks als auch die Höhe des Ans augunter drucks bei der Steuerung der Menge des rezirkulierten Abgases zusätzlich zum Ausmaß der Öffnung des Steuerventils wichtige Einflußgrößen sind.

Bei praktischen Anwendungsfällen ist es jedoch recht schwierig, die Rückführung bzw. Rezirkulation des Abgases sowohl in Beziehung zur Höhe des Ansaugunterdrucks als auch zur Höhe des erwähnten Druckunterschiedes zu steuern. Insbesondere, wenn eine so komplizierte Steuerung bei verhältnismäßig niedrigen Motordrehzahlen durchgeführt werden soll, hat es sich als fast unmöglich erwiesen, diese Steuerung ohne ungünstige Beeinflussung der Betriebseigenschaften des Motors zu bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Abgasrezirkulation zu schaffen, bei dem die

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Menge des rezirkulierten Abgases praktisch ohne Beeinflussung durch Änderungen der Höhe des Druckunterschiedes zwischen dem im Ansaugsystem des Motors entwickelten Unterdruck und dem Abgasdruck gesteuert werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Systems zur Äbgasrezirkulation, bei dem der Einfluß des beschriebenen Druckunterschiedes auf die Menge des rezirkulierten Abgases ausgeschaltet ist, wenn der Druckunterschied höher als ein bestimmter Wert ist.

Die genannte Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren zur Steuerung des Massendurchflusses von Motorabgas, das von einer Abgasleitung eines Motors zur Ansaugleitung des Motors zurückgeführt wird, dadurch gelöst, daß das Abgas durch eine konvergierende und dann divergierende Düse gleitet wird, daß die Höhe des Druckunterschiedes zwischen dem Druck am Einlaß und dem Druck am Auslaß der Düse so erhöht wird, daß das Abgas in der Einschnürung der Düse mit Schallgeschwindigkeit strömt, und daß die wirksame Fläche der Einschnürung der Düse gesteuert wird, indem in die Düse ein Ventilkörper eingesetzt wird und dieser Ventilkörper in der Düse bewegt wird.

Im Hinblick auf ein Abgasrezirkulationssystem für einen Verbrennungsmotor wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Leitung für eine Pluidströmung, die eine Auspuffleitung des Motors mit einer Ansaugleitung des Motors verbindet und der Rückführung eines Teils des Abgases durch diese Leitung dient, eine konvergierende und dann divergierend? Düse, die in einem Zwischenabschnitt der Leitung ausgebildet ist und so geformt ist, daß das rezirkulierte Abgas in der Einschnürung der Düse mit Schallgeschwindigkeit strömt, wenn

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der Druckunterschied zwischen dem Druck am Einlaß und am Auslaß der Düse eine bestimmte Höhe übersteigt, einen Ventilkörper, der in Verbindung mit der Düse so angeordnet ist, daß er durch die Einschnürung ragt, und einen Mechanismus zum Tragen und Verschieben des Ventilkörpers, damit dadurch die Querschnittsfläche der Rückführleitung an der Einschnürung der Düse verändert werden kann.

Bei dem Ventilkörper handelt es sich vorzugsweise um ein sich verjüngendes Element, das so angeordnet ist, daß es in Axialrichtung der Düse bewegt werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen ausschnittsweisen Längsschnitt

durch eine Rückführ- bzw. Rezirkulationsleitung eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Überschalldüse und einem Ventilkörper τ

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine ähnliche

Leitung, der eine darin angeordnete Vorrichtung zur Verhinderung der Ansammlung von kohlenstoffhaltigen Ablagerungen auf der Oberfläche des Ventilkörpers zeigt r

Fig. 3 eine Darstellung der Düse und des

Ventilkörpers gemäß Fig. 1 zur Erläuterung der Beziehung zwischen der

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Stellung des Ventilkörpers und der kleinsten QuerschnittsflMche der Leitung in der Einschnürung der Düse;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Untersystems

zum Bewegen des Ventilkörpers gemäß Fig. It

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines

erfindungsgemäßen Abgasrezirkulations— systems ;

Fig. 6 eine vergrößerte, ausschnittsweise

Darstellung des Systems gemäß Fig. zur Erläuterung der Winkelbeziehung zwischen dem divergierenden Abschnitt der Düse und dem Ventilkörperτ

Fig. 7 eine im Prinzip Fig. 6 ähnliche

Darstellung, die jedoch eine umgekehrte Anordnung zeigt; und

Fig. 8 ein Diagramm, das den Einfluß

des Druckunterschiedes zwischen dem Druck am Einlaß und dem Druck am Auslaß der Düse gemäß Fig. 6 auf die Menge des rezirkulierten Abgases im System gemäß Fig. 5 zeigt.

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Zunächst wird auf Fig. 1 eingegangen. Darin ist eine Rezirkulationsleitung bzw. ein Rezirkulationskanal 10 dargestellt , der bzw. die von einem nicht dargestellten Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors abzweigt und in einen Abschnitt des Ansaugsystem des Motors, beispielweise ein nicht dargestelltes Saugrohr, mündet.In einem dazwischenliegenden Abschnitt weist die Leitung 10 eine konvergierende und dann divergierende Düse 12 auf, die ein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellt.

In der Regel nimmt die Geschwindigkeit einer Fluidströmung durch ein Rohr bei abnehmender Querschnittsfläche des Rohres entsprechend der Kontinuitätsgleichung zu, sofern die Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit erfolgt. Wenn jedoch die Fluidströmung mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt, nimmt die Fluidgeschwindigkeit bei abnehmender Querschnittsfläche des Rohres ab, bis die Strömung in einem bestimmten Querschnitt in Schallgeschwindigkeit erfolgt. Im letzteren Fall wird der Massendurchfluß der Fluidströmung allein durch die Querschnittsfläche des Querschnitts bestimmt, in dem die Strömung mit Schallgeschwindigkeit erfolgt.

Die Düse 12 ist in bekannter Weise so geformt, daß die Geschwindigkeit der Strömung des rezirkulierten Abgases, die durch einen Pfeil A angedeutet wird,in einem konvergierenden Abschnitt 14 der Düse 12 zunehmen kann, bis sie im engsten Querschnitt, d.h. der Einschnürung 16, gleich der Schallgeschwindigkeit wird. Ein sich anschließender Abschnitt 18 der Düse 12 divergiert, so daß die Abgas- · strömung in diesem Abschnitt 18 mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt und die Geschwindigkeit in der Regel einen Größtwert erreicht, bevor die Strömung einen Auslaß 22 der Düse 12 erreicht. Das Abgas wird dann durch den rest-

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lichen Abschnitt der Leittang 10 stromab der Düse 12 in das Saugrohr eingesaugt! diese Strömung ist durch einen Pfeil B angedeutet. Die Düse 12 hat einen kreisförmigen Querschnitt, und der Einlaß 20, die Einschnürung 16 und der Auslaß 22 haben jeweils geeignet bemessene Querschnittsflächen, wobei die Bemessung auf den erwarteten Drücken am Einlaß und am Auslaß basiert und so erfolgt, daß in der Einschnürung 16 Strömung mit Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

In der Leitung 10 ist ein konischer Ventilkörper 24 angeordnet. Der dünnere Abschnitt des Ventilkörpers 24 tritt in die Düse 21 am Einlaß 20 zum konvergierenden Abschnitt 14 ein und ragt bis in den divergierenden Abschnitt 18, wobei er durch die Einschnürung 16 mit einem gewissen Zwischenraum hindurchgeht. Alternativ kann der konische Ventilkörper 24 umgekehrt zu der in Fig. 1 dargestellten Weise abschrägt sein. Der Ventilkörper 24 ist koaxial zur Düse angeordnet und in beiden Richtungen axial bewegbar. Auf diese Weise kann die wirksame Querschnittsfläche der Einschnürung der Düse 12 bzw. die kleinste Querschnittsfläche der Leitung 10 durch axiale Verschalung des Ventilkörpers 24 verändert werden.

Wenn die Abgasströmung im divergierenden Abschnitt 18 der Düse 12 mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt, hat die Strömung in der Einschnürung 16 Schallgeschwindigkeit, selbst wenn die wirksame Fläche der Einschnürung durch Verschiebung des Ventilkörpers 24 verändert wird. Demzufolge ist der Massendurchfluß des Abgases durch die Düse 12 allein eine lineare Funktion der wirksamen Fläche der Einschnürung, wobei er nicht von der Druckdifferenz zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck abhängt. Demzufolge kann die Menge des rezirkulierten Abgases genau in Beziehung zur

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Stellung des Ventilkörpers 24 bzw. zur Strecke, über die der Ventilkörper 24 verschoben wird, gesteuert werden.

Wenn der Ventilkörper 24 längere Zeit im Einsatz gewesen ist, kann es auf seiner Oberfläche zur Ablagerung von kohlenstoffhaltigen Teilchen kommen, die im Abgas enthalten sind. Solche Ablagerungen bedeuten eine unerwünschte Zunahme der wirksamen Querschnittsfläche eines beliebigen Abschnitts des Ventilkörpers 24 und können dazu führen, daß der tatsächliche Wert der wirksamen Querschnittsfläche der Einschnürung vom gewünschten Wert abweicht. Vorzugsweise ist der Ventilkörper 24 mit einer Reinigungseinrichtung versehen, die eine Ansammlung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen auf dem Ventilkörper verhindert. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind mehrere Abstreifer 28, die im Querschnitt bogenförmig und in Seitenansicht kegelstumpf förmig ausgebildet sind, auf der Oberfläche des Ventilkörpers 24 in einem Abschnitt angeordnet, der sich dicht beim Einlaß der Düse 12 befindet. Zu jedem Abstreifer 28 gehört ein Schaft 30, der senkrecht zur Längsachse des Ventilkörpers 24 verläuft und aus der Leitung 10 herausragt und in ein Gehäuse 32 führt, das auf der Wand der Leitung 10 angebracht ist. Im Gehäuse 32 befinden sich eine Druckfeder 34 und ein Kolben 36, die so angeordnet sind, daß die Federkraft über den Kolben 36 in Axialrichtung auf den Schaft 30 wirkt. Der Abstreifer 28 hat im Querschnitt einen Krümmungsradius, der einem mittleren Radius des Ventilkörpers 24 in einem mittleren Bereich entspricht, der bei einer Verschiebung des Ventilkörpers 24 in Berührung mit den Abstreifern 28 steht. Die Innenseite eines jeden Abstreifers 28 ist mit einer Schicht 38 bedeckt, die aus einem Material mit elastischen Eigenschaften und Gleiteigenschaften, beispielsweise einem Polytetrafluoräthylenharz, besieht, damit Verschleiß des Ventilkörpers 24 durch Reibung

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verhindert wird. Die Kraft der Druckfedern 34 ist so eingestellt, daß sich jeder Abstreifer 28 bei einer axialen Verschiebung des Ventilkörpers 24 in senkrechter Richtung bewegt und in Kontakt mit dem Ventilkörper 24 bleibt, so daß die meisten der auf der Oberfläche des Ventilkörpers 24 abgelagerten Feststoffteilchen abgestreift werden können. Es ist möglich, den Ventilkörper 24 auf seinem gesamten Umfang zu reinigen, indem dafür gesorgt wird, daß der Ventilkörper 24 bei axialer Verschiebung um seine Achse gedreht wird.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Reinigungseinrichtung für den Ventilkörper 24. In diesem Fall dient ein ringförmiges Element 40 aus einem biegsamen Material mit Gleiteigenschaften, beispielsweise aus einem PoIytetrafluoräthylenharz, als Äbstreifelement. Das Element wird von mehreren Drähten 42, die an der Wand der Leitung befestigt sind, an der gleichen Stelle wie die Abstreifer 28 im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 1 in Stellung gehalten. Das Element 40 weist in der Mitte ein Loch 44 auf, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß der Ventilkörper durch dieses Loch ohne Spiel hindurchpaßt. Mehrere radiale Schlitze 46 erstrecken sich über eine gewisse Länge vom Umfang des Loches 44. Daher kann das Loch 44 erweitert werden, wenn der Ventilkörper 24 axial verschoben wird, wobei die Oberfläche des Ventilkörpers 24 vom Element überstrichen wird.

Im folgenden wird die Beziehung zwischen Änderungen der Menge des rezirkulierten, durch die Düse 12 gemäß Fig. strömenden Abgases und Änderungen der Axialstellung des Ventilkörpers 24 erläutert. Fig. 3 zeigt die Endlage des Ventilkörpers 24, die eine größte wirksame Querschnitts-

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fläche der Einschnürung ergibt. Die Y-Achse liegt in Richtung der Längsachse des VentilTcörpers 24 und somit der Düse Die Menge bzw. der Massendurchfluß des rezirkulierten Abgases ist proportional zur kleinsten Querschnittsfläche der Leitung 10, die von der Einschnürung 16 der Düse 12 und dem Ventilkörper 24 bestimmt wird. Die kleinste Querschnittsfläche S ergibt sich für beliebige Stellung des Ventilkörpers 24 auf folgende Weise. In Fig. 3 wird die Einschnürung 16 durch den Durchmesser M-N wiedergegeben. Von den Punkten M und N werden Lote auf die Oberfläche des Ventilkörpers 24 gefällt, die die Oberfläche im Punkt K bzw. L schneiden und sich in einem Punkt P auf der Y-Achse treffen. Dann wird der engste Querschnitt der Leitung durch die Mantelfläche des Kegelstumpfes KLMN wiedergegeben. Der engste Querschnitt liegt immer in der Ebene der Mantelfläche dieses Kegelstumpfes, wobei allerdings die Fläche S dieses Querschnitts abnimmt, wenn der Ventilkörper 24 nach rechts in Fig. 3 verschoben wird. Der Punkt P hat einen Abstand y von der Spitze des Ventilkörpers 24, die beim Punkt 0 liegt, der den Ursprung des Koordinatensystems bildet.

Ein anderer Punkt P¹ liegt auf der Y-Achse in einem Abstand y, links vom Punkt P. Von diesem Punkt P¹ auf die Oberfläche des Ventilkörpers 24 gefällte Lote ergeben zwei Fußpunkte K' und L'.

Wenn angenommen wird, daß der Ventilkörpers 24 um die Strecke y-, nach rechts verschoben wird, dann bewegt sich seine Spitze vom Ursprung 0 zu einem Punkt O' auf der Y-Achse und erreicht der Punkt P¹ den Punkt P. Auch die Punkte K¹ und L¹ werden parallel zur Y-Achse verschoben und gelangen auf die Linien MK bzw. KL und ergeben dort die Punkte K" bzw. L". Dann wird der engste Querschnitt der

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Leitung 10 durch die Mantelfläche des verkürzten Kegelstumpfes K¹¹L¹¹NM wiedergegeben. Es sei angenommen, daß die Einschnürung 16 einen Radius r. hat, daß die Radien des Ventilkörpers 24 bei KL und K¹L¹ r -jbzw. r _ betragen, daß die Stecke PK d, beträgt, daß die Strecke PM d₂ beträgt und daß die Strecke P¹K¹ d., beträgt. Dann wird die kleinste Querschnittsfläche S der Leitung 10 bei einer Stellung des Ventilkörpers, in der sich größter Massendurchfluß des rezirkulierten Abgases ergibt, d.h. in der die Spitze bei O liegt, wiedergegeben durch

(1)

Wenn der Ventilkörper um eine Strecke y, nach rechts ver schoben wird, wird die kleinste Querschnittsfläche der Leitung zu:

= Tt(r_t . d₂ - r_v2 . d₃) (2)

Da die zwei Dreiecke OPK und OP¹K¹ ähnlich sind, gilt: * ^yo _ ^a3 _ ^rv2 ,,,

Daraus folgt:

d₃ = U₁ ( ) (4)

^J ο

Mit den Gleichungen (4) und (5) wird Gleichung (2) zu:

(6)

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Auflösen von Gleichung (6) und Einsetzen von öleichung (1) ergibt:

^{s β s}o - tt^rvi ' ^di · ST ^{(2 +} 7^{i) (7)}

-⁷O -*o

Wenn der halbe Spitzen winkel des leonischen Ventillcörpers 24 G₁ beträgt, gilt:

U₁ = y_o 8χηθ_χ (8)

y_o

r , = d,cos9, = y sin9, cosQ, = y- (sin2ö,) (9) Mit den Gleichungen (8) und (9) wird Gleichung (7) zu:

S = S_o-|_y;i . y_osin 2Q₁ SInO₁ (2 + -^) (10)

*o

Der Massendurchfluß G des rezirkulierten Abgases ist proportional zur Querschnittsfläche S und erreicht einen Größtwert

G _; wenn die Querschnittsfläche S ist. Demzufolge kann ma^c ο

der Massendurchfluß G bei beliebiger Stellung des Ventilkörpers 24 beschrieben werden durch:

- ^Gmax

Demzufolge besteht folgende Beziehung zwischen G und einer Verschiebung bzw. einem Hub y des Ventilkörpers

T^ (s_n -% y . y sin2_9l SXnG₁ (2 S_o ^o 2 *o 1 1

Gleichung (12) bestätigt, daß der Massendurchfluß des Abgases durch die Düse 12 durch axiale Verschiebung des Ventilkörpers 24 auf einen beliebigen Wert eingestellt

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werden kann, der kleiner als ein Größtwert ist.

Der Ventilkörper 24 kann von einem beliebigen, herkömmlichen Ventilstellantrieb verstellt werden, beispielsweise von einem Linearmotor oder einem Unterdruckmotor. Der Stellantrieb wird von einer Regeleinrichtung gesteuert, deren Ausgangssignal sich bei Änderungen einer oder mehrerer Variablen ändert, die in Beziehung zum Betriebszustand des Motors stehen. Beispiele für solche Variablen sind die Menge der in den Motor angesaugten Luft, der Unterdruck in der Mischkammer eines Vergasers, die Motortemperatur und die Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeugs. In Fig. 4 ist als Beispiel ein Blockdiagramm einer Regeleinrichtung zur Regelung der Axialstellung des Ventilkörpers 24 dargestellt. Bei dieser Einrichtung liefert ein Rechner ein Steuersignal, das auf einem Datensignal von einem Fühler 48 basiert, der eine oder mehrere der erwähnten Variablen erfaßt, an einen Funktionsgenerator 52. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 52 ist veränderlich und siaiert den Betrieb eines Linearmotors 54, der den Ventilkörper 24 vorschieben und zurückziehen kann.

MitteJs der Kombination aus der Düse 12 und dem Ventilkörper 24 gemäß Fig. 3 kann praktisch im gesamten Bereich der Motordrehzahl und der Motorbelastung eine Strömung des rezirkulierten Abgases mit Schallgeschwindigkeit erreicht werden, wenn die Düse 12 und der Ventilkörper 24 entsprechend geformt und aufeinander abgestimmt sind. Wenn insbesondere der Saugleitungsunterdruck zumindest ungefähr -110 mmHg beträgt, kann eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit erzeugt werden, wenn der halbe Spitzenwinkel Θ, des Ventilkörpers 24,

-der Dxvergenzwinkel θ~ ^un<^ ^^er Konvergenzwinkel θ₃ der Düse jeweils in folgenden Bereichen liegen: Θ, = 30°, 9~ = 10° und

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θ₃ = 90 . Wenn der konische Ventilkörper 24 wie in Fig. 3 angeordnet ist, kann ein divergierender Abschnitt selbst dann gebildet werden, wenn der Winkel θ~ gleich Null oder kleiner ist. In einem solchen Fall muß der Winkel θ~ im Bereich zwischen 0 und -10 liegen. Wenn der Ventilkörper 24 in umgekehrter Richtung angeordnet ist, kann ein konvergierender Abschnitt selbst dann gebildet werden, wenn der Winkel θ^ gleich Null oder kleiner ist, wobei allerdings der Winkel θ_ selbst in diesem Fall im Bereich zwischen 0 und 90 liegen sollte. ·

Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar geworden sein dürfte, ist es möglich, die Menge des rezirkulierten Abgases fast im gesamten Bereich des Motorbetriebes auf einen optimalen Wert zu regeln, ohne daß sich der Druckunterschied zwischen dem Ansaugunterdruck und dem Abgasdruck auswirkt.

Für die praktisch Anwendung wird der Ventilkörper 24 gemäß Fig. 1 vorzugsweise mit einem herkömmlichen Ventilstellantrieb kombiniert, der auf Änderungen der Größe des Unterdrucks in der Mischkammer eines Vergasers des Motors anspricht, da es experimentell nachgewiesen worden ist, daß die Regelung der Menge des rezirkulierten Abgases mittels eines solchen Stellantriebs zu guten Ergebnissen führt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck der Düse 12 nicht groß genug ist, um im divergierenden Abschnitt 18 eine Strömung mit Überschallgeschwindigkeit hervorzurufen. In diesem Fall ist das Steuerventil gemäß Fig. 1 vorzugsweise so geformt, daß Strömung mit Überschallgeschwindigkeit auftritt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck ungefähr 110 bis 120 mmHg erreicht.

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Fig. 5 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Abgasrezirkulationssystems mit einem Ventilstellantrieb 56 zum Verschieben des Ventilkörpers 24 in der Weise, daß die Quersclmittsflache · an der Einschnürung der Düse 12 geändert wird. Der Stellantrieb 56 umfaßt eine biegsame Membran 58, die das Innere des Stellantriebs 56 in zwei Kammern unterteilt, nämlich eine obere Unterdruckkammer 60 und eine untere Kammer 62, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Ein Schaft 24a des Ventilkörpers 24 ragt nach oben durch die untere Kammer und ist an der Membran 58 befestigt. In der Unterdruckkammer 60 ist eine Druckfeder 64 angeordnet, die eine angemessene Gegenkraft gegen eine Aufwärtsbewegung der Membran 58 liefert. Die Unterdruckkammer 60 ist mit einer Unterdrucksteuereinrichtung 65 verbunden. Die Steuereinrichtung 65 umfaßt eine obere Unterdruckkammer 66, die mit einer Mischkammer 68 eines Vergaser in Verbindung steht, eine mittlere Kammer 70, die von einer biegsamen Membran 72 von der Unterdruckkammer 77 getrennt wird und mit der Atmosphäre in Verbindung steht, sowie eine urbare Unterdruckkammer 74, die in .Verbindung mit der Unterdruckkammer 60 des Stellantriebs 56 steht. Eine weitere, biegsame Membran 76 trennt die Unterdruckkammer 74 von der mittleren Kammer 70. Diese Membran 76 weist In ihrem minieren Bereich eine Öffnung 78 auf. Mit einer Saugleitung 82 eines Motors 84 ist ein Unter druckspeicher 80 über ein Rückschlagventil 86 verbunden. Dieser Unterdruckspeicher kann mit der Unterdruckkammer 74 über eine Leitung 88 in Verbindung treten, die bei der Öffnung 78 der Membran· 76 mündet. In der mittleren Kammer 70 ist ein Ventilgehäuse bzw. -korb 90 fest auf der Membran 78 angeordnet, das bzw. der mit seinem oberen Ende an der oberen Membran 72 befestigt ist. Das Innere dieses Ventilkorbes 90 steht mit der Atmosphäre in Verbindung. Im .Ventilkorb 90 ist eine Ventilelement 92 angeordnet, das von einer Druckfeder 94

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so beaufschlagt wird, daß es sowohl die Öffnung 78 als auch das offene Ende der Leitung 88 zu schließen versucht. Die obere Membran 72 hat eine wesentlich größere wirksame Fläche als die Membran 76 und steht ständig unter Beaufschlagung durch eine Zugfeder 96, die die Membran nach oben zu ziehen versucht.

Wenn die Membran 76 zusammen mit dem Ventilkorb 90 hochgezogen wird, steht die Unterdruckkammer 74 in Verbindung mit dem Unterdruckspeicher 80. Wenn die Membran 76 vom stärkeren Unterdruck in der Kammer 74 nach unten gezogen wird, wird das offene Ende der Leitung 88 vom Ventilelemant 92 geschlossen und kommt die Kammer 74 in Verbindung mit der Atmosphäre. Demzufolge wird ein Gleichgewichtszustand eingestellt, der in Beziehung zur Stärke des Unterdrucks in der Mischkammer 68 steht. Die Unterdrucksteuereinrichtung 65 verstärkt somit den Unterdruck in der Mischkammer 68 und liefert ein Unterdruckausgangssignal zur Betätigung des Stellantriebes 56. Durch die Auslenkung der Membran 58 des Stellantriebs 56 kann der Ventilkörper 24 sehr präzise verschoben werden.

Wie bereits erläutert wurde, ist der Massendurchfluß des rezirkulierten Abgases durch die Düse 12 nicht proportional zur wirksamen Fläche der Einschnürung, wenn die Abgasströmung im divergierenden Abschnitt 18 mit Unterschallgeschwindigkeit erfolgt. In diesem Zustand nimmt der Massendurchfluß selbst bei einer konstanten wirksamen Fläche der Einschnürung bei einer Zunahme des Druckunterschiedes zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck der Düse zu. Dieses Verhalten ist besonders ungünstig, wenn ein verhältnismäßig großer Druckunterschied vorliegt. Zahlreiche Versuche haben gezeigt, daß ein kritischer Wert für

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den Druckunterschied bei ungefähr 120 mmHg liegt. Demzufolge werden die Düse 12 und der Ventilkörper 24 vorzugsweise so geformt, daß die Strömung des rezirkulierten Abgases im divergierenden Abschnitt 18 mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt und daher in der Einschnürung 16 mit Schallgeschwindigkeit erfolgt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck der Düse 12 120 mmHg erreicht.

Es hat sich gezeigt, daß beste Ergebnisse erreicht werden; wenn die Seitenfläche des Ventilkörpers 24 und die Wand des divergierenden Abschnittes 18 der Düese 12 im Längsschnitt (siehe Fig. 6) einen Winkel bilden, der im Bereich von 7 bis 10 liegt. Dieser Winkel α ist die Summe aus dem halben Spitzenwinkel Θ, und dem Divergenzwinkel θ~ in Fig. 3. Wenn der Ventilkörper 24 umgekehrt angeordnet ist, d.h. im divergierenden Abschnitt 18 dicker als im konvergierenden Abschnitt 14 ist, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, ist dieser Winkel α die Summe aus Θ, und -θ^.

Das Diagramm gemäß Fig. 8 zeigt die Änderung der Menge des rezirkulierten Abgases für das. System gemäß Fig. 5, wenn der Ventilkörper 24 in bestimmten Stellungen gehalten wird und die Motordrehzahl allmählich erhöht wird, um den Druckunterschied zwischen dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck der Düse 12 zu erhöhen. Mit dem Symbol L ist die Verschiebung des Ventilkörpers 24 aus seiner Endlage, in der die Einschnürung 16 vollständig geschlossen ist, nach oben bezeichnet. Trotz der festliegenden Stellung des Ventilkörpers 24 und keiner Zunahme der wirksamen Fläche der Einschnürung nimmt die Menge -des rezirkulierten Abgases zu, bis der Druckunterschied einen Wert von ungefähr 120 mmHg erreicht; danach jedoch bleibt die Menge des rezirkulierten Abgases konstant. Wenn die Düse 12 nicht so ausgelegt wäre,

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daß sie eine Gasströmung mit Überschallgeschwindigkeit, erzeugen würde, würde die Menge des rezirkulierten Abgases bei Zunahme des Druckunterschiedes weiter ansteigen, wie dies durch die gestrichelten Kurven dargestellt ist.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind die tiberschalldüse 12 und der Ventilkörper 24 jeweils im Querschnitt kreisförmig. Die Erfindung ist jedoch nicht unbedingt auf solche Ausbildungen beschränkt. Das gleiche Ergebnis kann erreicht werden, wenn die konvergierende und dann divergierende Düse einen rechtwinkligen Querschnitt hat und wenn ein keilförmiger Ventilkörper, der ebenfalls einen rechtwinkligen Querschnitt hat, so angeordnet ist, daß er in Axialrichtung der Düse verschoben werden kann. Als weitere Abwandlung könnte die im Querschnitt rechtwinklige Überschalldüse mit einem anderen Ventilkörper kombiniert werden, der im Längsschnitt die gleiche Form wie die Düse hat und so angeordnet ist, daß er in der Düse senkrecht zur Längsachse der Düse verschoben v/erden kann.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprü ehe

1. Verfahren zur Steuerung des Massendurchflusses von Motorabgas, das von einer Abgasleitung eines Motors zur Ansaugleitung des Motors zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch eine konvergierende und dann divergierende Düse geleitet wird, daß die Höhe des Druckunterschiedes zwischen dem Druck am Einlaß und dem Druck am Auslaß der Düse so erhöht wird, daß das Abgas in der Einschnürung der Düse mit Schallgeschwindigkeit strömt, ' und daß die wirksame Fläche der Einschnürung der Düse gesteuert wird, indem in die Düse ein Ventilkörper eingesetzt wird und dieser Ventilkörpder in der Düse bewegt wird.

2. Abgasrezirkulationssystem für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch eine Leitung (10) für eine Fluidströmung, die eine Auspuffleitung des Motors (84) mit einer Ansaugleitung des Motors verbindet und der Rückführung eines Teils des Abgases durch diese Leitung dient, eine konvergierende und dann divergierende Düse (12), die in einem Zwischenabschnitt der Leitung ausgebildet ist und so geformt ist, daß das rezirkulierte Abgas in der Einschnürung (16) der Düse mit Schallgeschwindigkeit strömt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Druck am Einlaß (20) und am Auslaß (22) der Düse eine bestimmte Höhe übersteigt, einen Ventilkörper (24), der in der Düse so angeordnet ist, daß er durch die Einschnürung ragt,und eine Einrichtung (54: 24a, 56, 65) zum Tragen und Verschieben des.Ventilkörpers, damit dadurch die Querschnittsfläche der Leitung an der Einschnürung verändert werden'kann.

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3. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) einen kreisförmigen Querschnitt hat, daß der Ventilkörper (24) konisch geformt und koaxial zur Düse angeordnet ist und daß die Einrichtung (54; 24a, 56, 65) den Ventilkörper axial bewegt.

4. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Spitzenwinkel des konischen Ventilkörpers (24) höchstens 30° beträgt und daß der Konvergenzwinkel und der Divergenzwinkel der Düse (12) maximal 90 bzw. 10 beträgt.

5. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Ventilkörpers (24) und die Wand des divergierenden Abschnitts (18) der Düse (12) einen Winkel bilden, der im Längsschnitt ijn Bereich von 7 bis 10 liegt.

6. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung gebildet wird von (a) einem Vergaser, der dem Motor (84) zugeordnet ist; (b) einem Ventilstellantrieb (56) mit einer biegsamen Membran (58), die darin senkrecht zur Längsachse des Ventilkörpers (24) angeordnet ist und eine Unterdruckkammer (60) abteilt, wobei die Membran eine Wand der Unterdruckkammer bildet; (c) einer Unterdrucksteuereinrichtung (65) mit einem Gehäuse, in dem eine erste Kammer (74), die mit der Unterdruckkammer in Verbindung steht, eine zweite Kammer (70), die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, und eine dritte Kammer (66) ausgebildet sind,die mit einer Mischkammer (68) des Vergaser in Verbindung steht, einer ersten, biegsamen Membran (76), die eine Öffnung (78) aufweist und die erste Kammer von der zweiten Kammer trennt, einer zweiten biegsamen Membran (72), die die zweite Kammer von der dritten

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Kammer trennt und eine größere wirksame Fläche als die erste biegsame Membran hat, einem starren Element (90), das die erste und die zweite Membran miteinander verbindet, einem Unterdruckspeicher (80), von dem eine Leitung (88) zu der Öffnung führt, und einer Ventileinrichtung (92, 94), die dazu dient, wahlweise die Öffnung zu schließen und zu öffnen, so daß die erste Kammer mit dem Unterdruckspeicher oder mit der zweiten Kammer in Verbindung steht, wenn die erste, biegsame Membran zur zweiten Kammer bzw. zur ersten Kammer ausgelenkt ist.

7. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch, gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (24) so angeordnet ist, daß sein Durchmesser in der Einschnürung (16) kleiner als am Einlaß (20) zum konvergierenden Abschnitt (14) des Düse (12) ist.

8. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch ein Abstreifelement (28, 40), das in der Leitung (10) an einer Stelle kurz vor dem Einlaß (20) zur Düse (12) so angeordnet ist, daß die Oberfläche des Ventilkörpers (24) vom Abstreif element überstrichen wird, wenn sich der Ventilkörper in Axialrichtung bewegt.

9. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstreifelement ein sich verjüngendes Element (28) mit bogenförmigem Querschnitt ist, daß ferner eine Halterung (32, 34, 36) vorgesehen ist, die dazu dient, das sich verjüngende Element dauernd gegen die Oberfläche des Ventilkörpers (24) zu drücken, und daß die Halterung dem sich verjüngenden Element .eine zur Längsachse des Ventilkörpers senkrechte Bewegung ermöglicht, wenn der Ventilkörper in Axialrichtung bewegt wird.

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10. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abs tr eif element (40) aus einem elastischen Material mit Glextexgenschaften besteht.

11. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstreifelement ein ringförmiges Element (40) ist, das mehrere radiale Schlitze (46) aufweist, die am Umfang des Loches (44) des ringförmigen Elementes enden.

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