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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Abgasrückführ-Zapfenventile (AGR-Zapfenventile) für Brennkraftmaschinen;
im spezielleren Ventile, die nach innen öffnen; und im speziellsten
ein Ventil, bei welchem der Widerstand auf den Ventilzapfen während der
Betätigung
desselben minimiert ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zapfenventile
kommen bekanntlich bei der Steuerung von Fluidströmen, insbesondere
von Gasen zum Einsatz. Eine wichtige Verwendung besteht in der Rückführung eines
Teils des Abgases aus einem Verbrennungsmotor in dessen Ansaugrohr.
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Gängige Gasstromventile,
bei denen ein Ventilkopf von einem Ventilsitz in eine Kammer hinein zurückgezogen
wird, umfassen typischerweise eine Ventilzapfenbuchse, die in eine
Bohrung in einer dem Ventilsitz gegenüberliegenden Ventilwand eingepresst
ist. Aufgrund der hohen Betriebsdrücke in der Ventilkammer handelt
es sich bei der die Buchse enthaltenden Wand typischerweise um eine
abnehmbare Platte, welche an dem Ventilkörper festgeschraubt wird, nachdem
die Buchse und der Ventilzapfen/-kopf angebracht
worden sind. Eine solche große
Platte ist typischerweise abgedichtet, um ein Entweichen von Gas
zu minimieren. Bedingt durch die erforderlichen engen Abstände für den Zapfen
in der Buchse und durch die Vielzahl anderer Komponenten, die gewöhnlich bei
aktuellen AGR-Steuerventilen vorhanden sind, ist eine Fehlausrichtung
des Zapfens und des Kopfs in Bezug auf den Ventilsitz praktisch
unausweichlich. Der Ventilkopf muss sich in dem Sitz zentrieren,
und übt
dabei eine Verdrehungskraft auf eine schlecht ausgerichtete Buchse
aus, was einen Reibungswiderstand an dem Zapfenschaft verursacht,
während
dieser sich durch die Buchse bewegt. Überdies bewirkt ein Gasschild
zur Vermeidung des Entweichens von Abgas in das Magnetbetätigungselement
hinein, sofern es nicht äußerst präzise mit dem
Zapfenschaft ausgerichtet ist, einen zusätzlichen Widerstand auf den
Schaft während
der Betätigung.
Solche parasitären
Verluste machen es typischerweise erforderlich, dass ein Magnetbetätigungselement
für ein
Ventil nach dem Stand der Technik unerwünscht groß ist und eine hohe Leistungsaufnahme
hat.
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Überdies
können
solche Ausrichtungsfehler zu einem beträchtlichen Entweichen von Gasen
von dem Ventil nach außen
führen,
wohingegen emissionsspezifische Regierungsvorschriften zunehmend strikter
werden.
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D1
(
EP1130246 ) betrifft
eine Druckausgleichs-Dosieruntergruppe zur Verwendung mit einem
modularen Abgasrückführventil
(AGR-Ventil). D1 umfasst eine Gasauffangvorrichtung, um das Entweichen
von Gas zu verhindern, dies wird jedoch bedingt durch die Natur
der Anordnung und durch die oben bezeichneten Probleme bei der Zapfenausrichtung
im allgemeinen nicht erreicht. Der Zapfen ist nach wie vor einer
natürlichen
Abnutzung ausgesetzt und das Entweichen von Gas und Fluid in das
Betätigungselement
hinein bleibt weiterhin ein Problem. Dies bedeutet, dass die Lebenserwartung
des Betätigungselements
negativ beeinflusst werden kann.
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Benötigt wird
somit in der Technik ein Mittel, welches es ermöglicht, dass eine Zapfenschaftbuchse
und eine Schaft-Gasabdichtung radial schwebend und somit selbstausrichtend
angeordnet sind, um die zur Betätigung
des Ventils erforderliche Kraft zu verringern und um die Emissionen
aus dem Ventil zu reduzieren.
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Es
ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, die zur Betätigung eines
AGR-Ventils erforderliche Kraft zu verringern, indem die bei der
Betäti gung
im Inneren des Ventilmechanismus auftretenden Reibungsverluste reduziert
werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das Entweichen
von Abgas aus dem AGR-Ventil zu verringern.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Komponentenanzahl
eines AGR-Ventils zu reduzieren und dessen Zusammenbau zu vereinfachen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Kurz
beschrieben, umfasst ein Zapfenventil gemäß der Erfindung ein Zapfenventil 10' 10'' welches folgendes umfasst:
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- a) einen Ventilkörper (12', 12''), der zumindest eine Kammer (14', 14'') enthält;
- b) einen ersten Durchlass (16', 16'')
in der Kammer (14', 14'');
- c) einen Ventilsitz (18', 18''), welcher den ersten Durchlass
(16', 16'') umgibt;
- d) einen dem ersten Durchlass gegenüberliegenden zweiten Durchlass
(30', 30'') in der Kammer, wobei der zweite
Durchlass einen Durchlassdurchmesser aufweist;
- e) eine Zapfenschaftbuchse (32', 32''),
die in dem zweiten Durchlass angeordnet ist und einen ersten Abschnitt
aufweist, dessen Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des
zweiten Durchlasses, und einen Flanschabschnitt (48, 48'') aufweist, dessen Durchmesser
größer ist
als der Durchmesser des zweiten Durchlasses und der sich außerhalb
des Ventilkörpers
(12', 12'') über den zweiten Durchlass hinaus
erstreckt;
- f) einen Ventilzapfenschaft (34', 34''),
der axial in der Buchse angeordnet ist und sich in die Kammer (14', 14'') hinein erstreckt;
- g) einen Ventilkopf (38', 38''), der auf dem Schaft angeordnet
ist, um mit dem Ventilsitz (18', 18'')
in Kontakt zu treten;
- h) ein Magnetbetätigungselement
(28'),
das an dem Ventilkörper
(12', 12'') angebracht ist und mit dem Zapfenschaft
(34', 34'') zu dessen axialer Betätigung in
Eingriff steht; und
- i) eine Schraubenfeder (44'), die in zusammengedrücktem Zustand
zwischen dem Betätigungselement
(28') und
der Buchse (32', 32'') angeordnet ist, um die Buchse
gegen den Betriebsdruck in der ersten Kammer (14', 14'') sicher in dem zweiten Durchlass
(30', 30'') festzuhalten; dadurch gekennzeichnet,
dass das Zapfenventil weiterhin eine ringförmige Gasabdichtung (40') umfasst, die zwischen
der Feder (44')
und dem Betätigungselement
(28') angeordnet
ist, und ein feststehendes Element (41) mit einer zentralen Öffnung (42') aufweist,
die zur Aufnahme einer Tülle
(56) dient, welche eine Schaftöffnung (57) zur eng
anliegenden Einführung
des Ventilzapfenschafts (34', 34'') aufweist, wobei die Tülle in axialer
Richtung eng an dem feststehenden Element (41) anliegt
und in radialer Richtung lose an das feststehende Element (41)
angepasst ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
im Aufriss dargestellte Querschnittsansicht eines Zapfenventils
nach dem Stand der Technik ist;
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2 eine
im Aufriss dargestellte Querschnittsansicht eines neuartigen, erfindungsgemäßen Zapfenventils
ist;
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3 eine
im Aufriss dargestellte Querschnittsansicht einer radial nachgiebigen,
erfindungsgemäßen Gas-Schaftabdichtung
ist;
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4 eine
im Aufriss dargestellte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ventils
ist; und
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5 ein
Grundriss des in 4 gezeigten Ventils ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Neuheit und die durch die Erfindung verliehenen Vorteile sind durch
vorherige Betrachtung eines Zapfenventils nach dem Stand der Technik besser
erkenntlich.
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In 1,
auf welche nun Bezug genommen wird, umfasst ein Zapfenventilaufbau 10 nach
dem Stand der Technik einen Ventilkörper 12 mit einer
ersten Kammer 14 und mit einem ersten Durchlass 16, der
von einem ringförmigen
Ventilsitz 18 umgeben ist. Die Kammer 14 ist durch
eine Platte 20 verschlossen, die durch eine elastische
Dichtung 22 mit dem Körper 12 abgedichtet
ist. Die Platte 20 ist an dem Körper 12 befestigt,
und zwar über
eine Mehrzahl von Schrauben 24, welche ihre Wirkung durch
hohle Abstandshalter 26 hindurch ausüben, um auch das Magnetbetätigungselement 28 daran
zu befestigen. Ein zweiter Durchlass 30 in dem Ventilkörper 12 ist
gegenüberliegend
und koaxial zu dem ersten Durchlass 16 angeordnet und ist
von einer axial länglichen
Zapfenschaftbuchse 32 aufnehmbar, die in den Durchlass 30 eingepresst
ist und darin durch eine Platte 20 gehalten wird, um ihrem
Ausstoß durch
Druck in der Kammer 14 entgegenzuwirken. Der Zapfenschaft 34 ist
für eine
hin- und herverlaufende Bewegung in einer Axialbohrung 36 in
der Buchse 32 angeordnet und erstreckt sich in einer ersten
Richtung in das Betätigungselement 28 hinein.
In einer zweiten Richtung ist der Schaft 34 innerhalb der
Kammer 14 mit einem Ventilkopf 38 versehen, um
koaxial mit dem Ventilsitz 18 in Kontakt zu treten. Eine
schalenförmige
Gasabdichtung 40 mit einer an dem Schaft 34 eng anliegenden,
zentralen Öffnung 42 ist
zwischen der Platte 20 und dem Betätigungselement 28 angeordnet
und wird durch eine in zusammengedrücktem Zustand zwischen der
Platte 20 und der Abdichtung 40 angeordnete Schraubenfeder 44 gegen
das Betätigungselement 28 gedrückt.
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Wie
weiter oben erörtert,
führen
normale, dimensions- und positionsspezifische Fertigungsabweichungen
bei dem Ventilkörper,
der Kammer, den Durchlässen,
der Buchse und ihrer Bohrung, sowie bei der Gasabdichtung zu einem
gewissen, unvermeidbaren Grad an Fehlausrichtung und somit zu einem
Widerstand des Zapfenschafts während
der Betätigung
durch die Magnetspule. Es ist ein Hauptziel der Erfindung, einen
solchen Widerstand zu verringern, indem eine Buchse und eine Gasabdichtungsanordnung
geschaffen werden, welche radial schweben können, um in Reaktion auf die
Zentrierung des Ventilkopfes in dem Ventilsitz durch den Zapfenschaft
selbst automatisch zentriert zu werden.
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In 2,
auf welche nun Bezug genommen wird, umfasst der verbesserte Zapfenventilaufbau 10' einen Ventilkörper 12' mit einer ersten
Kammer 14' und
mit einem ersten Durchlass 16', der von einem ringförmigen Ventilsitz 18' umgeben ist.
Ein zweiter Durchlass 30' in
dem Ventilkörper 12' ist dem ersten Durchlass 16' gegenüberliegend
und koaxial zu diesem angeordnet und kann eine Zapfenschaftbuchse 32' aufnehmen,
die einen ersten Durchmesser 46 aufweist, der geringer
ist als der Durchmesser des zweiten Durchlasses 30', so dass die
Buchse 32' innerhalb.
des Durchlasses 30' radial
verschoben werden kann. Die Buchse 32' ist mit einem äquatorialen Flansch 48 ausgestattet,
der einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser
des zweiten Durchlasses 30'.
Eine erste Fläche 50 des
Flansches 48 ist mit einer Fläche 52 des Ventilkörpers 12' in Eingriff
bringbar, um eine Abdichtung gegen das Entweichen von Fluid aus
der Kammer 14' zu
bilden. Ein ringförmiges
Buchsenhalteteil 54 ist um den Flansch 48 herum
angeordnet und hat einen Innendurchmesser, welcher geringfügig größer ist
als der Außendurchmesser
des Flanschs 48. Das Buchsenhalteteil 54 wird
in eine flache Bohrung 55 in dem Ventilkör per 12' eingepresst.
Vorzugsweise betragen der radiale Abstand und der axiale Abstand
zwischen dem Flansch 48 und dem Halteteil 54 jeweils
etwa 0,3 mm, um eine freie Bewegung der Buchse 32' über einen
sehr kleinen Bewegungsbereich hinweg zu ermöglichen. Der Zapfenschaft 34' ist entsprechend
angeordnet, um eine Auf- und Abbewegung in einer axialen Bohrung 36' in der Buchse 32' auszuführen, und
erstreckt sich in einer ersten Richtung in das Betätigungselement 28' hinein. In
einer zweiten Richtung ist der Schaft 34' innerhalb der Kammer 14' mit einem Ventilkopf 38' versehen, um
koaxial mit dem Ventilsitz 18' in Kontakt zu treten, wobei der zweite
Durchlass 30' einen
genügend
großen
Durchmesser aufweist, um den Ventilkopf 38' in die Kammer 14' eintreten zu
lassen. Die Magnetspule 28' ist über mehrere,
vorzugsweise drei Schrauben 24' an dem Körper 12' befestigt. Vorzugsweise ist der
Körper 12', wie in den 2, 4 und 5 gezeigt, mit
einer Mehrzahl von Gewindebeinen 13 ausgebildet, welche
die hohlen Abstandshalter 26 ersetzen.
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In
den 2 und 3, auf welche nun Bezug genommen
wird, umfasst ein Gasabdichtungsaufbau 40' ein geformtes Element 41 mit
einer zentralen Öffnung 42', die lose eine
Tülle 56 festhält, welche
an dem Schaft 34' eng
anliegt, wobei deren Abstand zu diesem vorzugsweise nahezu gleich
Null ist. Die Tülle 56 weist
einen ersten und einen zweiten erweiterten Rand 58a, 58b auf,
welcher sich jeweils entlang der entsprechenden Oberfläche des
Elements 41 erstreckt. Die Tülle 56 umfasst eine
Schaftöffnung 57,
die axial an dem Element 41 eng anliegt, um ein Entweichen
von Gas dazwischen zu minimieren, die jedoch radial in der Öffnung 42' lose eingepasst
ist, um eine radiale Anpassung der Tülle 56 innerhalb des
feststehenden Elements 41 zu ermöglichen.
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Der
Gasabdichtungsaufbau 40' ist
gegen einen ringförmigen
Flansch 60 an dem Betätigungselement 28' angeordnet
und wird durch eine Schraubenfeder 44', die in zusammengedrücktem Zustand
zwischen dem Buch senflansch 48 und dem Abdichtungsaufbau 40' angeordnet
ist, gegen das Betätigungselement 28' gedrückt. Für eine Verwendung des
Aufbaus 10' als
Abgasrückführventil
in einem Motor 74 hat die Feder 44' vorzugsweise eine Federkraft von
mehr als etwa 200 kPa, um die Buchse 32' gegen einen Druck in der Kammer 14' von typischerweise
etwa 140 kPa oder weniger ohne Entweichen von Gas sicher in dem
Durchlass 30' festzuhalten.
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Vorzugsweise
ist, wie in 2 gezeigt, ein zylindrisches
Abschirmungselement 62 zwischen dem Abdichtungsaufbau 40' und dem Körper 12' festgehalten.
Vorzugsweise umfasst das Element 62 ein Drahtgeflecht,
um von außen
kommende Partikel von dem Ventilaufbau fernzuhalten, dabei jedoch
ein einfaches Ausströmen
von Gasen, welche um die Buchse 32' herum oder durch diese hindurch
entweichen, zu ermöglichen.
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In 4 und 5,
auf welche nun Bezug genommen wird, ist ein Teil einer zweiten Ausführungsform 10'' eines erfindungsgemäßen Zapfenventils
gezeigt. Die Anordnung bestehend aus einem Körper 12'',
einer Kammer 14'', einem ersten
Durchlass 16'', einem Sitz 18'', einem Zapfenschaft 34'', einem Ventilkopf 38'' und einer Zapfenbuchse 32'' ist im wesentlichen dieselbe wie
in Verbindung mit der Ausführungsform 10' erörtert. Die
Kammer 14'' ist jedoch
nicht mit rückspringenden
Abschnitten 64 des Ventilkörpers (in 2 gezeigt)
ausgebildet; vielmehr ist der zweite Durchlass 30'' einfach eine Fortsetzung der Wand
der Kammer 14''. Somit ist
ein Buchsenzwischenstück 66 erforderlich,
das in eine flache Bohrung 68 in dem Körper 12'' eingepresst wird
und denselben radialen Abstand zu der Buchse 32'' aufweist wie in der Ausführungsform 10' gezeigt. Somit
wird zwischen dem Buchsenflansch 48'' und dem
Zwischenstück 66 eine
axiale Abdichtung gebildet, und zwar analog zu der in der Ausführungsform 10' gebildeten
Abdichtung. Ein Buchsenhalteteil 54' wird in eine Bohrung 65 des
Zwischenstücks 66 eingepresst.
Das Halteteil 54' ist
mit einem erhabenen Rand 70 zum Sammeln von Gaskondensat,
welches entlang der Buchse 32'' entweichen
kann, und mit einem oder mehreren Schlitzen 72 in dem Rand 70 zum
spontanen Ableiten von solchem Kondensat ausgebildet.
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Ein
Vorteil eines Ventils gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt in der beträchtlichen
Verringerung bei den Abgasemissionen. Der Aufbau 10' wurde einem
Vergleichstest mit einem Ventilaufbau 10 nach dem Stand
der Technik unterzogen und es wurde eine achtfache Verringerung
bei den Abgasemissionen beobachtet.
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Ein
weiterer Vorteil ist die beträchtliche
Verringerung des Reibungswiderstandes auf den Zapfenschaft während seiner
Betätigung,
wodurch die zur Betätigung
erforderliche Kraft verringert wird und der Einsatz eines Betätigungselements 28' ermöglicht wird,
welches kleiner ist als das Betätigungselement 28.
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Noch
ein weiterer Vorteil liegt in einer Verringerung der insgesamt benötigten Teile.
Bei der Ausführungsform 10' entfallen 3
Abstandshalter, eine Dichtung und eine Platte, während ein Buchsenhalteteil;
ein Metallgeflechtfilter und eine Tülle hinzukommen, was alles
in allem einer Reduzierung um zwei Komponenten gleichkommt. Der
Zusammenbau wird ebenfalls vereinfacht.
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Da
Abweichungen bei der komprimierten Länge der Feder 44' aufgrund von
Montagetoleranzen keine Auswirkung auf die radialen Kräfte haben, die
von der Gasschild-Tülle
auf den Zapfenschaft ausgeübt
werden, wie dies nach dem Stand der Technik bei solchen Abweichungen
der Fall war, kann der Körper 12' außerdem auf
den Magnetbetätigungsaufbau 28' aufgeschweißt werden.
Somit kann eine weitere Reduzierung der Gesamtteileanzahl realisiert
werden.