DE2901703A1

DE2901703A1 - Ventil fuer ein abgasrezirkulierungssystem einer dieselmaschine

Info

Publication number: DE2901703A1
Application number: DE19792901703
Authority: DE
Inventors: Tadahide Toda; Tatehito Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1978-09-13
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1980-03-27
Also published as: DE2901703C2; JPS5540211A; US4237837A

Description

Ventil für ein Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine

Eine Dieselmaschine wird immer mit einem Luftüberschuß bei der Verbrennung des Kraftstoffs betrieben_o Es ist daher bei Abgasrezirkulierung an einer Dieselmaschine günstig, diese je nach Luftüberschuß zu steuern,. Da der Luftüberschuß mit steigender Belastung der Maschine abnimmt, wird zur Beeinflussung der der Maschine zugeführten Fluidströmung ein Ventil benötigt, das so arbeitet, daß die rezirkulierte Abgasmenge, die der Ansaug- ' leitung der Maschine zugeführt wird, abnimmt, wenn die Ansaugluftmenge entsprechend der steigenden Maschinenbelastung zunimmt. Wenn die Abgasrezirkulierung wirkungsvoll gesteuert werden soll, muß ein lineares Verhältnis zwischen dem Öffnungsgrad des Steuerventils, der der Maschinenbelastung entspricht, und dem Rezirkulierungsverhältnis, d.h. dem Anteil des rezirkulierten Abgases an der der Maschine zugeführten Gesamtgasmenge, eingehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil anzugeben, das im Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine eingesetzt werden kann und welches nach dem erwähnten linearen Zusammenhang zu arbeiten in der Lage ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Ventils ist demnach eine Ventilklappe mit einem darauf angeordneten hut- oder pilzartigen Vorsprung, dessen spezielle Gestalt nach den jeweiligen Verhältnissen so gewählt ist, daß sich der erwähnte lineare Zusammenhang zwischen dem Öffnungsgrad der Klappe und dem Rezirkulierungsverhältnis ergibt.

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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasrezirkulierungssystems mit den Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Ventils in dem Abgassystem nach Fig. 1;

Fig. 2A einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Zusammenhänge zwischen dem Öffnungsgrad der Ventilklappe und dem effektiven Strömungsquerschnitt;

Fig. k eine graphische Darstellung der Zusammenhänge zwischen dem Öffnungsgrad der Ventilklappe und dem Rezirkulierungsverhältnis;

Fig. 5 zwei verschiedene Ausführungsarten für Reduzierkörper, und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist von einer Dieselmaschine nur schematisch der Motorblock 10 mit einer Ansaugleitung 16 mit Verzweigungsleitung 12 und einer Abgasleitung 19 dargestellt_o Die Ansaugleitung 16 ist mit ihrem stromaufwärts gelegenen Ende an ein hier nicht dargestelltes Luftfilter angeschlossen« Zwischen der Ansaugleitung 16 und der Ansaug-Verzweigungsleitung 12 ist das Abgas-Rezirkulierungsventil 18 nach der vorliegenden Erfindung angeordnet.

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Dieses Abgas-Rezirkulierungsventil 18 besteht aus einem Gehäuse 20, dessen eines Ende an die Ansaugleitung 16 und dessen anderes Ende an die Ansaug-Verzweigungsleitung 12 angeschlossen ist. Dieses Gehäuse 20 umschließt einen Strömungskanal 8. Das Gehäuse 20 ist mit der Abgasleitung 19 über eine Rezirkulierungsleitung 9 verbunden. Das Ventil 18 dient dazu, die Menge des in den Strömungskanal 8 über die Rezirkulierungsleitung 9 zurückgeführten Abgases einzustellen« Das Ventil 18 besteht im wesentlichen aus einer im Gehäuse angeordneten Ventilklappe 24. Diese ist mit ihrem einen Ende an einer Welle 26 befestigt, die drehbar im Gehäuse 20 stromaufwärts von der Mündung der Rezirkulierungsleitung 9 wandnah angeordnet ist_o Das Verhältnis der in den Strömungskanal 8 rezirkulierten Abgasmenge zur Gesamtmenge der der Dieselmaschine zugeführten Gase, d.h. das Rezirkulierungsverhältnis, kann durch Verschwenken der Ventilklappe 24 um die Achse der Welle 26 eingestellt werden.

Wie die Figuren 2 und 2A zeigen, ist das Gehäuse 20 von etwa tubusförmiger Gestalt mit rechteckigem Querschnitt und weist die Ventilklappe 24 ebenfalls eine im wesentlichen rechteckige Gestalt auf. Das eine Ende der Ventilklappe 24 ist fest an der Welle 26 angebracht, die sich quer zur Strömungsrichtung der Ansaugluft im Strömungskanal 8 erstreckt. Die Welle 26 ist drehbar in zwei gegenüberstehenden Seitenwänden des Gehäuses so gelagert, daß sie die innere Oberfläche der oberen Begrenzungswand des Gehäuses 20 berührt. In diese Wand ist ein Ventilsitz 30 von ringförmiger Gestalt fest eingesetzt. Ein Rohr ist mit seinem einen Ende mit dem Ventilsitz 30 verbunden. Das andere Ende des Rohres 32 ist mit der Abgasleitung 19 verbunden (Fig. 1). Der Ventilsitz 30 und das Rohr 32 bilden zusammen die Rezirkulierungsleitung 9 nach Fig. 1.

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Wie Pig. 2 zeigt, ist auf der Ventilklappe 24 auf der dem Ventilsitz 30 gegenüberstehenden Seite eine Gummiauflage 24' angebracht, die der besseren Abdichtung dient, wenn die Ventilklappe auf dem Ventilsitz 30 aufsitzt.

Das Abgasrezirkulierungssystem nach Fig. 1 ist weiterhin mit einer Einrichtung zum Beeinflussen der Menge des rezirkulierten Abgases in Abhängigkeit von der Masohinenbelastung ausgerüstet. Diese besteht aus einem pneumatischen Stellantrieb 50 mit einer Membran 5², die über einen Stab 34 gelenkig mit dem einen Ende eines Hebels 36 verbunden ist, dessen anderes Ende drehfest an der Welle 26 angebracht ist, die aus dem Gehäuse heraussteht. Die Membran 52 schließt eine Unterdruckkammer 38 ab, in welcher eine Feder 40 angeordnet ist, die die Membran in eine Stellung drückt, in welcher die Ventilklappe 2k auf dem Ventilsitz 30 aufsitzt. Diese Unterdruckkammer 38 empfängt ein Unterdrucksignal von einer Unterdruckpumpe 42, die von der Kurbelwelle der Dieselmaschine angetrieben wird. Der Saugstutzen 42A dieser Unterdruckpumpe k2 ist über eine Leitung 43a mit einem Umschaltventil kk und von dort über eine Leitung 43b mit der Unterdruckkammer 38 der pneumatischen Stellvorrichtung 50 verbunden. Der Umschalter kh ist elektromagnetisch über einen elektrischen Schaltkreis k6 betätigbar, der über eine elektrische Leitung 47a von einem Sensor 48 in der Abgasleitung 19 Signale empfängt, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsentieren_c Da die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Dieselmaschine der Belastung der Maschine entspricht, gibt der Sensor 48 somit elektrische Signale ab, die einen Hinweis auf die Belastung der Maschine enthalten. Der Schaltkreis 46 entwickelt daraus ein elektrisches Signal, das über eine weitere elektrische Leitung 47b dem Umschaltventil 44 zugeführt wird, um dort die Unterdruckkammer 38 der pneumatischen Stellvorrichtung 50 entweder mit der Unterdruckpumpe 42 oder mit einer atmosphärischen Luftdruck zuführenden Druckquelle 49 zu ver-

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binden, so daß der Unterdruckpegel in der Kammer 38 in Übereinstimmung mit der Belastung der Maschine gebracht wird. Das Abgasverhältnis wird von der Stellvorrichtung 50 in Übereinstimmung mit der Belastung der Maschine eingestellt, wie später noch beschrieben wird.

Wenn die Welle 26 die Ventilklappe im Uhrzeigersinn (in der Zeichnung gesehen) aufgrund einer Unterdruckkraft in der Kammer 38 verschwenkt, dann wird die Ventilklappe 2k vom Ventilsitz abgehoben, wie Fig. 2 zeigt. Die Ansaugluft, die in das Gehäuse 20 gemäß de« Pfeil A einströmt, fließt gemäß dem Pfeil A¹ an " der Ventilklappe 2k vorbei„ Das Abgas, das gemäß dem Pfeil B in der Rohrleitung 32 fließt, strömt an der geöffneten Ventilklappe 2k gemäß dem Pfeil B¹ in das Gehäuse 20. Die Strömungen A¹ und B· mischen sich dort zu einer Strömung C, die der Maschine zugeführt wird. Je mehr die Welle 26 der Ventilklappe Zk im Uhrzeigersinn verschwenkt ist, umso größer wird der Abgasanteil, der in das Gehäuse 20 eingeführt wird, und umso geringer wird die Ansaugluftströmung, die gemäß dem Pfeil A¹ an der Ventilklappe 2k vorbeiströmen kann. Das Rezirkulierungsverhältnis ist daher abhängig vom Öffnungsgrad der Ventilklappe 2k,

Der Anteil der Frischluft, die gemäß dem Pfeil A¹ an der Ventilklappe 2k vorbeiströmt, läßt sich bis auf einen Minimalwert verringern, der von der freibleibenden Querschnittsfläche zwischen den Rändern der Ventilklappe 2k und den Wänden des Gehäuses 20 abhängt. Der Anteil des Abgases, das an der Ventilklappe 2k vorbeiströmt, wie es der Pfeil B¹ zeigt, entspricht einem Minimal- oder wirksamen Strömungsquerschnitt S¹ zwischen der Ventilklappe 2k und dem Ventilsitz 30. Das Rezirkulierungsverhältnis erhält man aus dem Verhältnis S¹ zu S+S· für jeden Öffnungswinkel θ der Ventilklappe.

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Der wirksame Strömungsquerschnitt S verändert sich, entsprechend dem Öffnungsgrad θ der Ventilklappe 2k, wie es die Kurve 1 in Fig. 3 zeigt. Aus dieser Kurve I geht hervor, daß der effektive Strömungsquerschnitt S ungefähr umgekehrt proportional zum Öffnungsgrad der Ventilklappe 2k ist.

Es sei nun angenommen, daß die Ventilklappe 2k der Öffnung am Ventilsitz 30 eine ebene Fläche anbietete ¥ie durch den Abschnitt XI₁ in Fig. 3 dargestellt ist, besteht zwischen dem wirksamen Strömungsquerschnitt S¹ und dem Öffnungswinkel θ der Ventilklappe ein weitgehend proportionaler Zusammenhang, solange der Öffnungswinkel θ kleiner als ein bestimmter Wert "x" ist. Mit weiter steigendem Öffnungswinkel 0 bleibt der wirksame Strömungsquerschnitt S¹ auf einem vorbestimmten konstanten "Wert "y", der dem minimalen Innendurchmesser der Rezirkulierungsleitung 9 ent spricht_o Es ergibt sich somit ein Verlauf für das Rezirkulierungsverhältnis, das in Fig. k durch die Kurve IV dargestellt ist und dem Verhältnis von II zu I+II entspricht. Dieser Kurvenverlauf folgt nicht der idealen geraden Linie VI, besonders nicht, wenn der Öffnungswinkel θ klein ist. Der Grund liierfür liegt in der Tatsache, daß der Zuwachs des Strömungsquerschnitts S¹ des Abgases zu groß ist, wenn die Ventilklappe 2k aus ihrer völlig geschlossenen Stellung geöffnet wird. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Kezirkulierungsverhältnis und dem Öffnungswinkel θ der Ventilklappe 2k macht es daher unmöglich, die Abgasrezirkulierung bei der Dieselmaschine in befriedigender Weise zu beeinflussen»

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch Maßnahmen getroffen, mit denen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Hezirkulierungsverhältnis und dem Öffnungswinkel der Ventilklappe 2k erzielt werden kann. Wie Fig. 2 zeigt, ist mit Hilfe einer Schraube 62 auf der dem Ventilsitz 30 zugekehrten Seite der Ventilklappe 2k auf dieser ein hut- oder pilzförmiger Körper 6θ von kreisförmigem,

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gegen den Ventilsitz 30 zu abnehmendem Querschnitt befestigt.
Tn voll geschlossener Stellung der Ventilklappe 2k sitzt dieser Körper 6o im Zentrum des Ventilsitzes 30. Wenn die Ventilklappe 2k nur gering geöffnet ist_p dann ragt dieser hutförmige Körper
noch in den Ventilsitz 30 hinein und verringert auf diese Weise den wirksamen Strömungsquerschnitt_o

Gemäß der vorliegenden Erfindung strömt das rezirkulierte Abgas durch einen so reduzierten Querschnitt P, der zwischen dem
Ventilsitz 30 und dem Reduzierkörper 60 ausgebildet wird. Die
Zunahme des Strömungsquerschnitts für das Abgas beim Öffnen der Ventilklappe 2k aus der voll geschlossenen Stellung ist daher
vergleichsweise gering, wie es die Kurve II„ in Fig. 3 zeigt.
Als Folge davon läßt sich der Verlauf des Rezirkulierungsverhältnisses über dem Öffnungswinkel, im wesentlichen dem idealen linearen Verlauf anpassen, wie es die Kurve VI in Fig. k zeigt. Aufgrund dieses erzielten linearen Zusammenhangs ist es für das pneumatische Stellglied 50 ohne Schwierigkeit möglich, das
Reζirkulierungsverhältnis in Übereinstimmung mit der Maschinenbelastung einzustellen, was eine merkliche Reduzierung der NO Schadstoffanteile in den Abgasen zur Folge hat.

Wie in Fig. 5 durch (a) gezeigt ist, kann der Reduzierkörper 6o im Fußbereich 6OA konisch ausgeführt sein mit einer sich daran
anschließenden Kugelkappe vom Radius R. Der Konuswinkel £ ist
so gewählt, daß der gewünschte Kurvenverlauf 1I^ nach Fig. 3
resultiert. Wie in Fig. 5 durch (b) gezeigt ist, kann der
Reduzierkörper 60 auch eine mehr ellipsoide Form aufweisen.

Gemäß der Ausführungsfornt nach Fig. 6 kann die Ventilklappe,
hier mit 124 bezeichnet, mit dem Reduzierkörper zu einer integralen Einheit vereinigt sein, indem dieser beispielsweise durch Gießen oder Tiefziehen als Ausbauchung 16O mit einem sie um-

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gebenden flachen Rand 12^A ausgebildet wird. Eine ringförmige Dichtung 130¹ ist hier auf dem Ventilsitz 130 angebracht.

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Claims

Ansprüche

λ.)Ventil für ein Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine, gekennzeichnet durch ein tubusförmiges, einen Strömungskanal (8) von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt umschließendes, Ansaugluft durchleitendes Gehäuse (20)_f dessen eine Seitenwand eine Abgaseinlaßöffnung aufweist, die von einer stromaufwärts davon schwenkbar und wandnah im Gehäuse (20) gelagerten rechteckigen Ventilklappe (24) verschließbar ist, auf welcher ein in die Abgasöffnung einführbarer, den Öffnungsquerschnitt desselben bei geringen Öffnungswinkeln der Ventilklappe (24) verringernder Reduzierkörper (60) befestigt ist, welcher so geformt ist, daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem zwischen ihm und der Abgasöffnung begrenzten Strömungsquerschnitt und dem Öffnungswinkel (θ) der Ventilklappe (24) ergibt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (24) und der Reduzierkörper (60) durch geeignete Mittel (62) fest miteinander verbunden sind.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Venfcilklappe (124) und der Reduzierkörper (160) miteinander einstückig ausgebildet sind (Fig. 6).

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MÜNCHEN: TELEFON (089)225585 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24 244

BERLIN: TELEFON (O3O) Θ312Ο88 KABEL: PROPINDUS · TELEX OI 84O5 7
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduzierkörper (6O,i6o) eine Außenfläche aufweist, die gegen die Abgasöffnung hin konisch verläuft.
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduzierkörper (6o) im unteren Bereich kegelstumpfförmig ist und sich daran eine Kugelkappe anschließt.
6. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduzierkörper (6o) knebelknopfartige Gestalt hat.
7. Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine mit einem im Ansaugsystem angeordneten Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasöffnung über eine Rezirkulierungsleitung (9) mit der Abgasleitung der Dieselmaschine (io) verbunden ist, und daß eine auf die Maschinenbelastung ansprechende Stellvorrichtung (50) vorgesehen ist, welche im Sinne einer Verschwenkung der Ventilklappe (24) auf das Ventil (18) einwirkt.

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