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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Abgasrückführvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine.
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Hintergrund
der Erfindung
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Zur Reduzierung der NOx-Emissionen
von Brennkraftmaschinen werden sauerstoffarme Abgase vom Auslass
der Brennkraftmaschine bekannterweise in die Ansaugluft der Brennkraftmaschine
rückgeführt. Eine
Vorrichtung zur Abgasrückführung schließt im Allgemeinen
ein Ansaugluftrohr, ein Ansaugluft-Regelventil und ein Abgasrückführventil
ein. Das Ansaugluft-Regelventil ermöglicht die Drosselung des Ansaugluftstroms
im Ansaugluftrohr. Das Abgasrückführventil
dosiert den Strom der in das Ansaugluftrohr rückgeführten Abgase.
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Strenge gesetzliche Abgasbestimmungen machen
es erforderlich, dass der Anteil der in die Ansaugluft rückgeführten Abgase
behutsam geregelt wird. Der Anteil rückgeführter Abgase muss folglich bei
allen Lastzuständen
ausreichen, um die NOx-Abgasgrenzwerte einzuhalten. Falls der Anteil
rückgeführter Abgase
aber zu hoch wird, kann die Brennkraftmaschine – wegen Sauerstoffmangels – bei niedrigen
Lastzuständen
ausgehen oder bei hohen Lastzuständen
unerwünschte
Emissionen verursachen. Es besteht demgemäß bei allen Lastzuständen Bedarf
nach einer wirksamen Regelung der Abgasrückführvorrichtung.
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Das Abgasrückführventil und das Ansaugluft-Regelventil
werden bekannterweise mit elektrischen Drehstellern oder Linearstellern – beispielsweise
pneumatischen Stellern oder Elektromagneten – ausgerüstet, die mit einem Brennkraftmaschinen-Steuermodul
geregelt werden. In einer solchen Vorrichtung werden niedrige/mittlere
Abgasrückführraten
nur durch Stellbefehle an den Steller des Abgasrückführventils geregelt; höhere Abgasrückführraten
werden hingegen durch gleichzeitige Stellbefehle an den Steller
des Abgasrückführventils
und den Steller des Ansaugluft-Regelventils geregelt. Durch vollständiges Schließen des
Ansaugluft-Regelventils und des Abgasrückführventils wird ferner ein ruhiges
Abstellen der Brennkraftmaschine erreicht. Folglich sollte bei allen
Lastzuständen
eine wirksame Regelung der Abgasrückführung möglich sein. In der Praxis weist
eine solche Abgasrückführvorrichtung
aber noch gravierende Mängel
auf. Da beispielsweise beide Ventile, d. h. das Abgasrückführventil
und das Ansaugluft-Regelventil, den Ansaugluftstrom beeinflussen,
muss erkannt werden, welches Ventil für eine gemessene Abweichung
eines Regelungsparameters verantwortlich ist. Außerdem sind die Steller der
zwei Ventile im Allgemeinen unterschiedlichen Typs und haben u.
a. unterschiedliche Hysteresefehler, woraus Genauigkeitsprobleme resultieren
können,
wenn beide Ventile synchron betrieben werden müssen.
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Einige dieser Mängel könnten – zumindest teilweise – durch
komplexere Regelsysteme kompensiert werden, z. B. durch Verwendung
von zwei Sensoren, d. h. einem für
die Ansaugluft und einem für
die rückgeführten Abgase.
Es versteht sich jedoch, dass Bauteilkosten bei Kraftfahrzeug-Anwendungen
einen wichtigen Gesichtspunkt darstellen. Überdies kann eine von der Größe her kompaktere Abgasrückführvorrichtung
von Vorteil sein, da der verfügbare
Platz im Motorraum des Fahrzeugs begrenzt ist. Die Gewichtsreduzierung
von Bauteilen trägt
selbstverständlich
dazu bei, dass der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs verringert
wird. Es wäre also
wünschenswert,
kompakte und kostengünstige Abgasrückführvorrichtungen
herzustellen.
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Das Dokument
EP 0900930 offenbart eine kompakte
und kostengünstige
Abgasrückführvorrichtung
mit einem Abgasrückführventil
und einer Ventilklappe oder Gemischausgleichsvorrichtung, die die Funktion
eines Ansaugluft-Regelventils
erfüllt.
Diese Abgasrückführvorrichtung
umfasst einen einzigen Steller, der mit der Stellwelle des Abgasrückführventils
verbunden ist. Ein Exzenter an der Stellwelle treibt das Ansaugluft-Regelventil
an (d. h. schließt es),
wenn das Abgasrückführventil
eine gewisse Öffnungsstellung überschreitet.
Mit diesem Mechanismus können
niedrige/mittlere Abgasrückführraten durch
alleinigen Antrieb des Abgasrückführventils (das
Ansaugluft-Regelventil ist dabei vollständig geöffnet) und hohe Abgasrückführraten
durch synchronen Antrieb sowohl des Abgasrückführventils als auch des Ansaugluft-Regelventils
(das Ansaugluft-Regelventil schließt, wenn sich das Abgasrückführventil
weiter öffnet)
geregelt werden. Diese ziemlich einfache und kompakte Vorrichtung
bietet natürlich
nicht die gleiche Flexibilität
wie eine Vorrichtung mit zwei getrennten Stellern, die separat geregelt werden.
Es ist also z. B. unmöglich,
das Ansaugluft-Regelventil und das Abgasrückführventil vollständig zu
schließen,
um ein ruhiges Abstellen der Brennkraftmaschine zu erreichen.
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Ziel der Erfindung
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende
technische Problem besteht darin, dass für eine Brennkraftmaschine eine
kompakte Abgasrückführvorrichtung
zu finden ist, die eine wirksame und einfache Regelung der Abgasrückführraten
und ein ruhiges Abstellen der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Abgasrückführvorrichtung
umfasst einen Ansaugluftkanal; ein Ansaugluft-Regelventil, das dem
Ansaugluftkanal zugeordnet ist; ein Abgasrückführventil für die Rückführung einer geregelten Menge
von Brennkraftmaschinen-Abgasen in den Ansaugluftkanal; und einen
Steller. Zwischen dem Steller und dem Abgasrückführventil ist ein erster bewegungsübertragender
Mechanismus angeschlossen. Zwischen demselben Steller und dem Ansaugluft-Regelventil
ist ein zweiter bewegungsübertragender
Mechanismus angeschlossen. Gemäß einem
wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt der erste
bewegungsübertragende Mechanismus
ein erstes Abkupplungsmittel ein, und eine erste Rückstellfeder
spannt das Abgasrückführventil
in geschlossener Stellung vor. Es versteht sich, dass diese Vorrichtung,
die nur einen einzigen Steller aufweist, Folgendes ermöglicht:
- 1. Öffnen
des Abgasrückführventils
und gleichzeitiges Schließen
des Ansaugluft-Regelventils, um progressiv die Abgasrückführraten
zu steigern, wobei das Abgasrückführventil
an den ersten bewegungsübertragenden
Mecha nismus angekuppelt wird und der Steller in eine erste Richtung
angetrieben wird;
- 2. Schließen
des Abgasrückführventils
und gleichzeitiges Öffnen
des Ansaugluft-Regelventils, um progressiv die Abgasrückführraten
zu verringern, wobei das Abgasrückführventil
an den ersten bewegungsübertragenden
Mechanismus angekuppelt wird und der Steller in die entgegengesetzte Richtung
angetrieben wird;
- 3. gleichzeitiges Schließen
der zwei Ventile, um ein ruhiges Abstellen der Brennkraftmaschine
zu erreichen, wobei das Abgasrückführventil
jetzt vom ersten bewegungsübertragenden
Mechanismus abgekuppelt und von der ersten Rückstellfeder geschlossen wird;
und
- 4. Ansaugluftregelung bei 0% Abgasrückführung, wobei das Abgasrückführventil
vom ersten bewegungsübertragenden
Mechanismus abgekuppelt und von der ersten Rückstellfeder in seiner geschlossenen
Stellung gehalten wird.
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Es versteht sich, dass all diese
Funktionen mir einem einzigen Steller erreicht werden können. Die
Vorrichtung ist wegen eines nicht vorhandenen zweiten Stellers leichter
und kleiner und kann kostengünstiger
hergestellt werden. Die synchrone Regelung der zwei Ventile ist
außerdem
einfacher, da die zwei Ventile – während der
Regelung der Abgasrückführung – gleichzeitig
von einem gemeinsamen Steller betätigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung schließt der zweite
bewegungsübertragende
Mechanismus ein zweites Abkupplungsmittel ein, und eine zweite Rückstellfeder
spannt das Ansaugluft-Regelventil in einer offenen Stellung vor.
Diese bevorzugte Ausführung
ermöglicht
die Regelung niedriger Abgasrückführraten
ausschließlich
mit dem Abgasrückführventil,
wobei das Ansaugluft-Regelventil
vom zweiten bewegungsübertragenden
Mechanismus abgekuppelt und von der zweiten Rückstellfeder in seiner offenen Stellung
gehalten wird.
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Die obige Ausführung ist typisch für eine Dieselbrennkraftmaschine.
Bei einer Benzinbrennkraftmaschine wird normalerweise eine zweite
Rückstellfeder
verwendet, um das Ansaugluft-Regelventil in einer geschlossenen
Stellung vorzuspannen.
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Im Allgemeinen schließen der
Steller eine Antriebswelle, der erste bewegungsübertragende Mechanismus eine
mit dem Abgasrückführventil
verbundene erste Stellwelle und der zweite bewegungsübertragende
Mechanismus eine mit dem Ansaugluft-Regelventil verbundene zweite
Stellwelle ein.
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Gemäß einer ersten Ausführung verbindet das
erste Abkupplungsmittel die Antriebswelle des Stellers direkt mit
der ersten Stellwelle, während
der zweite bewegungsübertragende
Mechanismus einen Stellhebel an der zweiten Stellwelle, eine Freilaufhülse mit
einem an der Antriebswelle befestigten Kurbelarm und eine Verbindungsstange,
die diesen Stellhebel mit diesem Kurbelarm verbindet, einschließt. Bei dieser
ersten Ausführung
dient das zweite Abkupplungsmittel dazu, die Antriebswelle mit der
Freilaufhülse
zu verbinden. Die erste Rückstellfeder
ist dann der ersten Stellwelle und die zweite Rückstellfeder der Freilaufhülse zugeordnet.
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Gemäß einer alternativen Ausführung verbindet
das zweite Abkupplungsmittel die Antriebswelle des Stellers direkt
mit der zweiten Stellwelle, während
der erste bewegungsübertragende
Mechanismus einen Stellhebel an der ersten Stellwelle, eine Freilaufhülse mit
einem an der Antriebswelle befestigten Kurbelarm und eine Verbindungsstange,
die diesen Stellhebel mit diesem Kurbelarm verbindet, einschließt. Bei
dieser alternativen Ausführung
dient das erste Abkupplungsmittel dazu, die Antriebswelle mit der
Freilaufhülse
zu verbinden. Die zweite Rückstellfeder
ist dann der zweiten Stellwelle und die erste Rückstellfeder der Freilaufhülse zugeordnet.
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Ein geeignetes Luft-Regelventil schließt normalerweise
eine Klappe ein, die an der zweiten Stellwelle montiert ist, die
drehbar im Ansaugluftkanal befestigt ist. Ein geeignetes Abgasrückführventil schließt normalerweise
einen Verschlusskörper
und eine axial geführte
Stellstange ein. Die erste Stellwelle schließt dann einen mit der Stellstange
verbundenen Kurbelarm ein.
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Das erste und/oder das zweite Abkupplungsmittel
schließen
vorzugsweise eine elektrisch schaltbare Kupplung ein, die sich mit
einem elektronischen Steuerungssystem regeln lässt. Die Regelung der Abgasrückführvorrichtung
wird deshalb weitaus flexibler als bei einer Vorrichtung mit einem
mecha nisch geregelten Abkupplungsmittel, bei der zur Einstellung
des Abkupplungspunktes beispielsweise ein Nockenmittel verwendet
wird.
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Der gemeinsame Steller ist vorteilhafterweise
ein Elektrodrehmomentmotor. Ein solcher Motor weist für ein hohes
Ausgangsdrehmoment eine geringe Einbaugröße auf und ist ziemlich unempfindlich gegen
die Ausrichtung. Er ist in der Lage, ein konstantes Drehmoment über einen
breiten Winkelbereich zu erzeugen, wobei dieses Ausgangsdrehmoment
durch einfache Erhöhung
des elektrischen Stroms gesteigert werden kann.
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Die erste und/oder die zweite Rückstellfeder sind
vorzugsweise Torsionsfedern, die eine geringe Einbaugröße aufweisen,
wenn sie z. B. den Stellwellen der zwei Ventile zugeordnet sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung
beschrieben. Es zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführung
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In 1 kennzeichnet
die Referenznummer 2 umfassend einen Teil eines Ansaugluftrohrs
einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). Die Richtung des Luftstroms
wird durch Pfeil 4 angezeigt. Das vordere Ende 6 des
Rohrs 2 ist beispielsweise über einen Luftfilter (nicht
dargestellt) mit der Atmosphäre oder – bei einer
Brennkraftmaschine mit einem Turbolader – mit einem Kompressor (nicht
dargestellt) verbunden. Das hintere Ende 8 des Rohrs 2 ist
mit einen Ansaugkrümmer
(nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine verbunden.
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Das Ansaugluftrohr 2 kommuniziert über eine
Zwischenöffnung 10 mit
einem Abgaskanal (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine. Dieser Öffnung 10 ist
ein Abgasrückführventil 12 zugeordnet,
mit dem der durch die Öffnung 10 fließende Abgasstrom
dosiert werden kann. Dieses Ventil 12 umfasst eine Stellstange 14,
die mit einer Ventilführung (nicht
dargestellt) in der Öffnung 10 geführt wird,
und eine Verschlussscheibe 16 (durch eine punktierte Linie
darge stellt), die einem Ventilsitz zugeordnet ist, der im Abgaskanal
vor der Öffnung 10 angeordnet
ist. Die Verschlussscheibe 16 kann durch ihre Stellstange 14 gegen
ihren Sitz gezogen werden, um die Öffnung 10 gasdicht
zu verschließen,
und so aus ihrem Sitz geschoben werden, dass Abgase durch die Öffnung 10 in
das Ansaugluftrohr 2 strömen können.
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Vor der Öffnung 10 ist ein
Klappenventil – das
so genannte Ansaugluft-Regelventil 18 – angeordnet,
mit dem der Ansaugluftstrom dosiert werden kann. Eine Klappe 20 ist
bei vollständig
geöffneter Stellung
des Ansaugluft-Regelventils 18 im
Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Ansaugluftrohrs 2 positioniert
und bietet dem Luftstrom dadurch nur minimalen Widerstand. Diese
Klappe 20 ist so ausgelegt, dass sie bei geschlossener
Stellung des Ansaugluft-Regelventils 18 den Einlassteil
des Rohrs 2 im Wesentlichen luftdicht verschließt.
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Der Stellmechanismus des Abgasrückführventils 12 und
des Ansaugluft-Regelventils 18 wird nun im Detail beschrieben.
Dieser Stellmechanismus umfasst einen einzigen umkehrbaren Steller 22,
der eine Hauptantriebswelle 24 antreibt. Der Steller 22 ist vorteilhafterweise
ein Elektrodrehmotor wie z. B. ein Drehmomentmotor. Wird ein Linearmotor
als Steller bevorzugt, kann z. B. ein Elektromagnet oder ein pneumatischer
Steller verwendet werden. Die lineare Bewegung des Stellers kann
dann mit einem Schubkurbelgetriebe oder einem Zahnstangengetriebe
in eine Drehbewegung der Hauptantriebswelle 24 umgewandelt
werden.
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Ein erster bewegungsübertragender
Mechanismus ist zwischen der Hauptantriebswelle 24 und dem
Abgasrückführventil 12 angeschlossen.
Dieser erste bewegungsübertragende
Mechanismus schließt
ein erstes Abkupplungsmittel 26 ein, das die Hauptantriebswelle 24 mit
einer Stellwelle 28 verbindet, die durch ein gasdichtes
Lager 30 hindurch in das Rohr 2 hineinragt. Innerhalb
des Rohrs 2 weist die Stellwelle 28 einen Kurbelarm 32 auf,
der mittels eines Gelenks mit der Stellstange 14 des Abgasrückführventils
verbunden ist. Außerhalb
des Rohrs 2 ist der Stellwelle 28 eine Torsionsfeder 34 als
Rückstellfeder
zugeordnet, um das Abgasrückführventil 12 in einer
geschlossenen Stellung vorzuspannen. Mit anderen Worten: die Feder 34 zwingt
die Verschlussscheibe
16 des Abgasrückführventils 12 in die
Richtung des Sitzes der Scheibe, um das Abgasrückführventil 12 zu schließen, wenn
die Stellwelle 28 mit dem Abkupplungsmittel 26 von
der Hauptantriebswelle 24 abgekuppelt wird.
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Ein zweiter bewegungsübertragender
Mechanismus ist zwischen der Hauptantriebswelle 24 und
dem Ansaugluft-Regelventil 18 angeschlossen. Letzteres
weist eine Stellwelle 36 auf, die drehbar von zwei gasdichten
Lagern 38, 40 gehalten wird. Außerhalb
des Rohrs 2 weist die Stellwelle 36 einen Hebelarm 42 auf,
der mittels einer Gelenk-Verbindungsstange 44 mit einem
Kurbelarm 46 verbunden ist, der mit einer an der Antriebswelle 24 befestigten
Freilaufhülse 48 eine
Einheit bildet. Ein zweites Abkupplungsmittel 50 verbindet
diese Freilaufhülse 48 mit der
Hauptantriebswelle 24. Der Freilaufhülse 48 ist eine Torsionsfeder 52 als
Rückstellfeder
zugeordnet. Diese Feder 52 zwingt den zweiten bewegungsübertragenden
Mechanismus in eine durch einen Endanschlag definierte Stellung,
bei der die Klappe 20 im Wesentlichen parallel zur Mittelachse
des Ansaugluftkanals positioniert ist. Mit anderen Worten: die Feder 52 öffnet das
Ansaugluft-Regelventil 18, wenn die Freilaufhülse 48 mit
der Abkupplungsvorrichtung 50 von der Hauptantriebswelle 24 abgekuppelt
wird.
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Es ist anzumerken, dass die Abkupplungsmittel 26 und 50 vorteilhafterweise
elektrisch schaltbare Kupplungen sind. Das Ein- und Ausrücken solcher
elektrisch schaltbarer Kupplungen kann leicht mit einem elektronischen
Steuergerät 54 geregelt werden,
das auch für
das Starten, Stoppen und Umkehren der Drehung des Stellers 22 verantwortlich ist.
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Es ist ferner anzumerken, dass jeder
der Federn 34, 52 ein Dämpfer (nicht dargestellt) zugeordnet
werden kann, um eine gedämpfte
Schließbewegung
der Ventile 12, 18 zu ermöglichen.
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Die Betriebsmöglichkeiten der oben beschriebenen
Abgasrückführvorrichtung
lassen sich folgendermaßen
zusammenfassen:
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Das Abgasrückführventil 12 ist in
der Leerlaufstellung vollständig
geschlossen, d. h. die Verschlussscheibe 16 befindet sich
in ihrem Sitz und verschließt
die Öffnung 10 gasdicht.
Das Ansaugluft-Regelventil 18 ist vollständig geöffnet, d.
h. die Klappe 20 ist im Wesentlichen parallel zur Mittelachse
des Ansaugluftrohrs 2 positioniert und bietet dem Luftstrom
dadurch nur minimalen Widerstand. Es versteht sich, dass diese Leerlaufstellung
mit beiden Kupplungen 26, 50 erreicht werden kann,
wenn diese ausgerückt
sind.
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Niedrige Abgasrückführraten werden vorzugsweise
bei vollständig
geöffnetem
Ansaugluft-Regelventil 18 geregelt. Die Kupplung 50 bleibt
daher ausgerückt,
die Kupplung 26 wird jedoch eingerückt. Das Abgasrückführventil 12 kann
jetzt progressiv geöffnet
werden, indem der Steller 22 in eine erste Richtung gedreht
wird. Wenn die Abgasrückführrate wieder
reduziert werden muss, wird die Drehrichtung des Stellers 22 einfach
umgekehrt. Abschließend
gesagt: niedrige Abgasrückführraten
werden ausschließlich durch
Dosierung des durch die Öffnung 18 fließenden Abgasstroms
geregelt.
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Das Ansaugluft-Regelventil 18 muss
progressiv geschlossen werden, um hohe Abgasrückführraten zu erreichen und zu
regeln. Dies wird durch Einrücken
der Kupplung 50 erzielt. Durch Drehen des Stellers 22 in
einer ersten Richtung wird jetzt das Ansaugluft-Regelventil 18 geschlossen
und das Abgasrückführventil 12 weiter
geöffnet,
um die Abgasrückführraten
progressiv zu steigern. Zur progressiven Verringerung der Abgasrückführraten
wird die Drehrichtung des Stellers 22 einfach umgekehrt,
wodurch das Ansaugluft-Regelventil 18 wieder
progressiv geöffnet
und das Abgasrückführventil 12 wieder
progressiv geschlossen wird.
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Falls ein ruhiges Abstellen der Brennkraftmaschine
erreicht werden muss, wird die Kupplung 26 ausgerückt, so
dass die Feder 34 das Abgasrückführventil 12 schließt. Die
Kupplung 50 wird eingerückt,
so dass der Steller 22 das Ansaugluft-Regelventil 18 progressiv
schließen
kann.
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Es versteht sich, dass die Rückkehr zur
Leerlaufstellung durch einfaches Ausrücken der beiden Kupplungen 26 und 50 erzielt
werden kann. Mit anderen Worten: der Steller 22 muss nicht
betrieben werden, um zur Leerlaufstellung zurückzukehren, wenn die Brennkraftmaschine
abgestellt wird.
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Es versteht sich ferner, dass die
Ansaugluft bei 0% Abgasrückführung durch
Ausrücken
der Kupplung 26 und Einrücken der Kupplung 50 geregelt
werden kann.
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Die Leerlaufstellung in der oben
beschriebenen Ausführung
ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Abgasrückführventil in vollständig geschlosse ner
Stellung und das Ansaugluft-Regelventil in vollständig geöffneter
Stellung befinden. Dies ist typisch für eine Dieselbrennkraftmaschine.
Bei einer Benzinbrennkraftmaschine ist die Leerlaufstellung jedoch
normalerweise dadurch gekennzeichnet, dass sich sowohl das Abgasrückführventil
als auch das Ansaugluft-Regelventil in geschlossener Stellung befinden.
Bei einer solchen Benzinbrennkraftmaschine muss dann mit dem Steller 22 bei
eingerückter
Kupplung 50 und ausgerückter
Kupplung 26 das Ansaugluft-Regelventil vor dem Abgasrückführventil
geöffnet werden.
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In der oben beschriebenen Ausführung wird der
Steller 22 nach der Stellwelle 28 des Abgasrückführventils 12 ausgerichtet.
Alternativ könnte
der Steller 22 auch nach der Stellwelle 36 des
Ansaugluft-Regelventils 18 ausgerichtet werden. In diesem Fall
sollte eine Kupplung verwendet werden, um die Hauptantriebswelle 24 direkt
mit der Stellwelle 36 zu verbinden. Der erste bewegungsübertragende
Mechanismus würde
dann einen Stellhebel an der Stellwelle 28, eine Freilaufhülse mit
einem an der Antriebswelle 24 befestigten Kurbelarm und
eine Verbindungsstange, die den Stellhebel mit dem Kurbelarm verbindet,
einschließen;
außerdem
würde eine weitere
Kupplung verwendet, um die Antriebswelle 24 mit der Freilaufhülse zu verbinden.