DE2722876A1

DE2722876A1 - Steuerventil fuer eine kurbelgehaeusegase in das ansaugrohr fuehrende kurbelgehaeuseentlueftungsleitung an verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2722876A1
Application number: DE19772722876
Authority: DE
Inventors: Alvin P Nowroski; Lyman V Root
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-06-18
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1977-12-22
Also published as: JPS538443A; GB1578370A; DE2722876C2; AU515777B2; CA1068566A; AU2228677A; JPS564730B2; US4056085A

Description

Patentanmeldung

Steuerventil für eine Kurbelgehäusegase in das Ansaugrohr führende Kurbelgehäuseentlüftungsleitung an Ve r br ennung smotor en

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil für eine Kurbelgehäusegase in das Ansaugrohr führende Kurbelgehäuseentlüftungsleitung an Verbrennungsmotoren mit einem hülsenförmigen Ventilgehäuse, dessen Ventilbohrung einen Ventilsitz aufweist und einen spindelförmigen Ventilkörper axial beweglich aufnimmt, der mit seinem konischen Ende mit dem Ventilsitz eine Ringöffnung bildend zusammenwirkt, eine festgelegte Durchgangsbohrung aufweist und mit seinem flachen Ende über eine Feder gegen einen Anschlag in der Ventilbohrung gehalten wird und der durch einwirkenden Unterdruck axial verlagerbar und bei hohem Unterdruck in Anlage an den Ventilsitz bringbar ist.

Steuerventile der eingangs genannten Art sind bereits in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Diese bekannten Steuerventile, wie sie z. B. aus den US-PSen 2 716 398, 2 829 629, 2 853 986, 2 638 701 und 2 407 178 zu entnehmen sind, weisen den Nachteil auf, daß sie bei durch Herstellungstoleranzen bedingten unterschiedlichen Strömungs- und

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Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln, HRS 84 Vorsitzender des Aufsichtsrates Hans Schaberger - Vorstand; Peter Weiher. Vorsitzender

Horst Bergemann - Franz J. Bohr - Waldemar Ebers - Wilhelm Inden - Alfred Langer Stellvertretend Hermann Dederichs - Hans Wilhelm Gab Paul A. Guckel - Hans-Joachim Lehmann

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Schwingungsverhalten von Motor zu Motor zu unterschiedlichen Strömung smeng en von Kurbelgehäusegasen durch die Kurbelgehäuseentlüftungsleitung führen. Es ist jedoch wichtig, daß die Strömungsmenge der Kurbelgehäusegase in engen Grenzen gesteuert wird, da diese praktisch einen Teil des dem Verbrennungsmotor zugeführten brennbaren Gemisches bilden, das bereits bei geringen Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Betriebs- und Abgasverhalten des Verbrennungsmotors nachteilig beeinflussen kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Steuerventil der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß eine möglichst präzise Steuerung der Strömungsmenge von Kurbelgehäusegasen erzielt wird, die weitgehend unabhängig von unterschiedlichen Strömungs- und Schwingungsverhalten von Motor zu Motor ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem die Durchgangsbohrung des Ventilkörpers derart ausgelegt wird, daß im wesentlichen über den gesamten Teillastbereich eines Verbrennungsmotors darin eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit erfolgt.

Vorzugsweise wird hierbei die Durchgangsbohrung des Ventilkörpers als eine entsprechend dimensionierte konvergierend-divergierende Düsenbohrung ausgebildet.

Die Erfindung wird anhand einer in der beiliegenden Zeichnung einem bekannten Steuerventil gegenübergestellten Ausführungsform eines erf in dungsgemäßen Steuerventiles näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einer Kurbelgehäusegase in das Ansaugrohr führenden Kurbelgehäuse-

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entlUftungsleitung, in der ein erfindungsgemäßes Steuerventil zur Anwendung kommen kann;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein bekanntes Steuerventil für eine Kurbelgehäuse entlüftungsleitung;

Fig. 3 ein Diagramm der über ein bekanntes Steuerventil gesteuerten

Strömungsmenge von Kurbelgehäusegasen über den sich ändernden Unterdruck im Ansaugrohr des Verbrennungsmotors;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Steuerventil;

Fig. 5 ein Diagramm der über ein erfindungsgemäßes Steuerventil gesteuerten Strömungsmenge von Kurbelgehäusegasen über den sich ändernden Unterdruck im Ansaugrohr des Verbrennungsmotors.

In Fig. 1 ist ein V-8 Verbrennungsmotor 10 schematisch dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Luftfilter 12 auf, der gefilterte Luft dem Ansaugkanal 14 eines Vergasers 15 zuführt. Der Vergaser 15 ist über einen Flansch 16 auf dem Ansaugrohr 18 des Verbrennungsmotors befestigt. Der Verbrennungsmotor 10 weist die üblichen Kolben 20 (nur einer gezeigt) auf, die im Zylinderblock 22 auf- und abbewegbar angeordnet sind und brennbares Gemisch über das Ansaugrohr 18 und einen von Ventildeckclhauben 24 abgedeckten Ventiltrieb ansaugen.

Während eines Betriebes des Verbrennungsmotors gelangen jedoch unterschiedliche Mengen von Beipass- oder Leckgasen aus den Verbrennungsräumen der Zylinder an den Kolben 20 vorbei in das Kurbelgehäuse 26. Um ein Entweichen dieser Kurbelgehäusegase in die Außenatmosphäre zu verhindern, werden diese Gase über eine Kurbelgehäuseentlüftungsleitung 30, die über die Ventildeckelhauben 24 mit dem Kurbelgehäuse 26 in Verbindung steht, über den Flansch 16 wieder dem Ansaugrohr 18

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des Verbrennungsmotors zugeführt. Während eines Betriebes des Verbrennungsmotors kann hierbei über eine Belüftungskappe 32 dem Kurbelgehäuse 26 Belüftungsluft zugeführt werden. Die Kurbelgehäuseentlüftungsleitung 30 ist hierbei in bekannter Weise mit einem Steuerventil 33 versehen, das die Strömungsmenge der aus dem Kurbelgehäuse 26 abgesaugten Gase in Abhängigkeit vom Unterdruck im Ansaugrohr 18 des Verbrennungsmotors derart steuert, daß diese das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des brennbaren Gemisches des Verbrennungsmotors nicht nachteilig beeinflussen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein dem bekannten Stand der Technik entsprechendes Steuerventil für eine solche Kurbelgehäuseentlüftungsleitung gezeigt. Ein zweiteiliges Ventilgehäuse 34 weist hierbei in seiner Ventilbohrung 49 an einem Ende einen Ventilsitz 36 und am anderen Ende eine festgelegte Drosselöffnung 38 auf. In der Ventilbohrung 49 wird ein spindelförmiger Ventilkörper 42 axial beweglich aufgenommen, der mit seinem konischen Ende mit dem Ventilsitz 36 eine Ringöffnung bildend zusammenwirkt, eine festgelegte Durchgangsbohrung 50 aufweist und mit seinem flachen Ende über eine Feder gegen einen Anschlag 44 in der Ventilbohrung gehalten wird. Die Durchgangsbohrung 50 des Ventilkörpers 42 steht hierbei über eine Anzahl radialer Bohrungen 46 in Verbindung mit der Ventilbohrung 49.

Während eines Betriebes des Verbrennungsmotors im Leerlauf, bei hohen Unterdrücken, wird der Ventilkörper 42 in Fig. 2 gesehen nach links gezogen und gegen den Ventilsitz 36 anliegen. Eine Strömung von Kurbclgehäusegasen ist somit nurmehr über die festgelegte Durchgangsbohrung 50 möglich. Wird die Drosselklappe des Vergasers geöffnet, um dem Verbrennungsmotor eine größere Menge brennbaren Gemisches zuzuführen, so sinkt der Unterdruck im Ansaugrohr ab und ermöglicht der Feder im Steuerventil den Ventilkörper 42 in Fig. 2 gesehen nach rechts zu verschieben, wodurch über die Ringöffnung zwischen dem Ven-

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tilkörper und dem Ventilsitz eine dem Gemischumsatz des Verbrennungsmotors proportionale Strömungsmenge von Kurbelgehäusegasen ermöglicht wird.

Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß bei einem Steuerventil der beschriebenen Art mit einer festgelegten Durchgangsbohrung 50 diese bei einem Unterdruck von weniger als 0, 473 bar zu einem Strömungsverlust führt, wodurch sich im Teillastbereich unterschiedliche Strömungsmengen von Kurbelgehäusegasen ergeben.

Wie bereits erwähnt, ergeben sich durch Herstellungstoleranzen von Motor zu Motor unterschiedliche Strömungs- und Schwingungsverhalten, so daß die meisten Kraftfahrzeughersteller fordern, daß ein Steuerventil für eine Kurbelgehäuseentlüftungsleitung eine bestimmte zwischen einem Maximum und einem Minimum liegende Steuercharakteristik auf'weisen müssen, damit das Luft-Kraftstoff Verhältnis des brennbaren Gemisches nicht nachteilig beeinflußt wird. Das in Fig. 3 gezeigte Diagramm zeigt ein solches Strömungsmengendiagramm über dem Unterdruck im Ansaugrohr. Ein akzeptierbares Steuerventil muß somit eine Steuercharakteristik aufweisen, die zwischen der Strömungsmengenkurve Afür die maximale Strömungsmenge und zwischen der Strömungsmengenkurve B für die minimale Strömungsmenge liegt. Wie zu ersehen ist, liegt die Toleranz der beiden Strömungsmengen bei hohem Unterdruck bei etwa 0, 85 cbm pro Stunde und steigt bei geringerem Unterdruck auf bis zu 1, 7 cbm pro Stunde an. Dieser geforderte Toleranzbereich trägt den Strömungsverlusten bei niedrigem Unterdruck entsprechend Rechnung. Es ist leicht zu erkennen, daß unter diesen Umständen durch die unpräzise Steuerung der Strömungsmenge der abgesaugten Kurbelgehäusegase im Teillastbereich ein genaues Einhalten des erwünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des dem Verbrennungsmotor zugeführten brennbaren Gemisches nicht ohne weiteres möglich ist.

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In Fig. 4 ist ein erfindungsgcmäßcs Steuerventil im Schnitt gezeigt. Es besteht aus einem einteiligen Ventilgehäuse 51, dessen Ventilbohrung an einem Ende einen Ventilsitz 52 aufweist und am anderen Ende mit einer Scheibe 58 mit einer festgelegten Drosselöffnung 60 versehen ist, wobei der Ventilsitz 52 in einem Kanal 54 bestimmten Querschnitts führt und die Scheibe 58 am Ende 56 des Ventilgehäuses 51 über einen Sicherungsring 62 festgelegt ist. Innerhalb der Ventilbohrung 69 ist ein Ventilkörper 64 axial beweglich angeordnet, dessen flaches Ende 66 über eine Feder 70 zeitweise gegen die Scheibe 58 anliegend gehalten wird und dessen anderes konisches Ende 68 mit dem Ventilsitz 52 eine die Strömungsmenge zeitweise steuernde Ringöffnung bildend zusammenwirkt.

Der Ventilkörper 64 ist hierbei mit einer Durchgangsbohrung 72 versehen, die als eine, einen konvergierenden Teil 74, einen divergierenden Teil 76 und eine dazwischen liegende Engstelle 78 aufweisende konvergierenddivergierende Düsenbohrung ausgebildet ist. Die Durchgangsbohrung 72 wird hierbei gemäß der Erfindung in ihrer geometrischen Form und in ihren Abmessungen derart ausgelegt, daß über einen weiten Bereich des Betriebsbereiches eines Verbrennungsmotors und insbesondere über den Teillastbereich bis hinunter zu Unterdrücken von 0, 06 bis 0, 1 bar Kurbelgehäusegase mit Schallgeschwindigkeit durch die Durchgangsbohrung 72 geführt werden.

Die Kraft der Feder 70 wird hierbei so gewählt, daß in dem Moment, in dem die Strömungsgeschwindigkeit in der Durchgangsbohrung 52 von Schallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit abfällt, was etwa bei 0, bis 0, 12 bar der Fall ist, sich der Ventilkörper 64 in Fig. 4 gesehen nach rechts bewegt und vom Ventilsitz 52 abhebt. Dadurch wird ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt durch die Ventilbohrung 69 freigegeben. Diese Strömung wird darauffolgend moduliert, zuerst durch die zwischen dem konischen Ende 68 und dem Ventilsitz 52 gebildete, gesteuerte Ringöffnung und darauffolgend, sobald sich der Ventilkörper 64 weiter nach rechts be-

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wegt, durch die Größe der festgelegten Drosselöffnung 60 und die Anzahl der Nuten oder Einschnitte im flachen Ende 66 des Ventilkörpers 64, nachdem das konische Ende 68 keine Modulierfunktion mehr aufweist.

Es ist selbstverständlich, daß die Kraft der Feder 70, die erforderlich ist, um den Ventilkörper 64 vom Ventilsitz 52 abzuheben, so ausgelegt werden kann, daß sie den gewünschten Entlüftungserfordernissen eines Verbrennungsmotors Rechnung trägt. In manchen Fällen kann z. B. die Feder 70 so ausgelegt sein, daß der Ventilkörper 64 bereits bei einem Unterdruck von 0, 12 bar vom Ventilsitz 52 abzuheben beginnt, obwohl die Strömung in der Durchgangsbohrung 72 noch im Bereich der Schall g eschwindigkeit liegt, wenn z. B. eine größere Strömungsmenge gewünscht wird.

Funktionsweise

Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit geschlossener Drosselklappe, d. h. im Leerlauf, wird sich im Ansaugrohr ein Unterdruck einstellen, der o, 5 bar übersteigt, wodurch die auf den Ventilkörper 64 einwirkende Saugkraft größer ist als die Kraft der Feder 70, die den Ventilkörper 64 nach rechts zu drücken sucht, so daß der Ventilkörper 64 nach links in Anlage gegen den Ventilsitz 52 gezogen wird. Dadurch wird der Strömungsweg durch den äußeren Bereich der Ventilbohrung 69 abgeschnitten und es kann nur eine Strömung über die Durchgangsbohrung 72 erfolgen. Durch die gemäß der Erfindung als konvergierend-divergierende Düsenbohrung ausgelegte Durchgangsbohrung 72 wird somit eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit erfolgen, die unabhängig von Änderungen des Druckes stromabwärts und damit konstant ist. Die Strömungsmenge wird, durch den Querschnitt der Durchgangsbohrung 72 und durch die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Somit ergibt sich eine konstante Strömungsmenge, mit deren vor bestimmter Auslegung eine genaue Einhaltung der gewünschten Strömungsmengen an Kurbelgehäusegasen erzielt werden kann. Auf

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diese Weise kann eine unerwünschte Beeinträchtigung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des dem Verbrennungsmotor zugeführten brennbaren Gemisches vermieden werden.

Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors bei leicht geöffneter Drosselklappe, d.h. im Teillastbereich, fällt der Unterdruck im Ansaugrohr auf einen Wert ab, bei der die Kraft der Feder 70 die auf den Ventilkörper 64 einwirkende Saugkraft übersteigt und diesen nach rechts zu bewegen beginnt. Zu diesem Zeitpunkt fällt auch die Strömung in der Durchgangsbohrung 72 von Schallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit ab. Nunmehr erfolgt eine Strömung von Kurbelgehäusegasen nicht nur über die Durchgangsbohrung 72 sondern auch über die zwischen dem konischen Ende 68 und dem Ventilsitz 52 gebildete Ringöffnung. Die Strömung durch das Steuerventil wird in diesem Bereich entsprechend demsich ändernden Unterdruck im Ansaugrohr gesteuert.

Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors bei voll geöffneter Drosselklappe, d. h. bei Vollast, sinkt der Unterdruck im Ansaugrohr so weit ab, daß die Feder 70 den Ventilkörper 64 zur Anlage gegen die Scheibe 58 bringt. In diesem Bereich wird die Strömung durch das Steuerventil durch die festgelegte Drosselöffnung 60 im Zusammenwirken mit eventuellen Nuten und Einschnitten am flachen Ende 66 des Ventilkörpers 64 bestimmt.

In Fig. 5 sind Strömungsmengenkurven eines erfindungsgemäßen St euerventiles gegenüber dem Unterdruck im Ansaugrohr aufgezeigt. Im einzelnen zeigt eine Strömungsmengenkurve 82 z. B. eine konstante Strömungsmenge bis hinunter zu einem Unterdruck von 0, 08 bar oder anders ausgedrückt im wesentlichen über den gesamten Teillastbereich, während sie unterhalb dieses Wertes absinkt.

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Wie bereits erwähnt, kann die Steuerungscharakteristik eines erfindungsgemäßen Steuerventiles durch die entsprechende Wahl der Abmessungen der Einzelteile des Steuerventile β entsprechend verändert werden. Die Strömungsmengenkurven 84, 86 und 88 zeigen mögliche Veränderungen im Modulierbereich und VoUastbereich er findung sgemäfler Steuerventile durch zunehmendes Vergrößern des Außendurchmesser β des Ventilkörpers 64 und des Innendurchmessers der Drosselöffhung 60 in der Scheibe 58, wobei auch hier über den Teillastbereich durch die Auslegung der Durchgangsbohrung 72 und die hierdurch erzielte Strömung mit Schallgeschwindigkeit konstant gehalten werden kann.

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Claims

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Steuerventil für eine Kurbelgehäusegase in das Ansaugrohr führende Kurbelgehäuseentlüftungsleitung an Verbrennungsmotoren mit einem hülsenförmigen Ventilgehäuse, dessen Ventilbohrung einen Ventilsitz aufweist und einen spindelförmigen Ventilkörper axial beweglich aufnimmt, der mit seinem konischen Ende mit dem Ventilsitz eine Ringöffnung bildend zusammenwirkt, eine festgelegte Durchgangsbohrung aufweist und mit seinem flachen Ende über eine Feder gegen einen Anschlag in der Ventilbohrung gehalten wird und durch einwirkenden Unterdruck axial verlagerbar und bei hohem Unterdruck in Anlage an den Ventilsitz bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrung (72) des Ventilkörpers (64) derart ausgelegt ist, daß im wesentlichen über den gesamten Teillastbereich eines Verbrennungsmotors darin eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit erfolgt.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrung (72) des Ventilkörpers (64) als eine entsprechend dimensionierte konvergierend-divergierende Düsenbohrung (74, 78 und 76) ausgebildet ist.
3. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit seinem flachen Ende (66) unter Federdruck (70) gegen den Anschlag (58) in der Ventilbohrung (69) liegende Ventilkörper (64) nur bei beginnender Vollast des Verbrennungsmotors abhebt und eine zusätzliche Strömung über die zwischen dem konischen Ende (68) des Ventilkörpers (64) und dem Ventilsitz (52) gebildete Ringöffnung ermöglicht.
4. Steuerventil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag für den Ventilkörper (64) von einer über einen Sicherungsring (62) in der Ventilbohrung (69) festgelegten, eine festgelegte Drosselöffnung (60) aufweisenden Scheibe (58) gebildet ist.

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