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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung mit
einem Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß, das an eine
Abgasleitung in einem Verbrennungsmotor anschließbar ist,
einem Abgasdurchgang, der zwischen dem Einlaß und dem Auslaß
angeordnet ist, einem Ventilkörper, der in unterschiedlichen
Stellungen eingestellt werden kann, um den Durchflussbereich
des Abgasdurchgangs zu variieren, und Betätigungseinrichtungen
zum Einstellen des Ventilkörpers,
gemäß dem ersten Teil des Anspruchs 1 (vgl. WO-A-9429583).
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Es ist bekannt, dass es möglich ist, indem lediglich der
Abgasgegendruck in der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors
mit Hilfe einer Ventilvorrichtung der oben genannten Art
größer wird, eine bestimmte Vergrößerung bei der Motor-
Bremswirkung des Fahrzeugs zu erreichen. Eine weitere
Vergrößerung bei der Motor-Bremswirkung kann erreicht werden,
wenn eine Verbindung auf bekannte Art und Weise zwischen dem
Abgassystem und den Motorzylindern während des letzten
Abschnitts des Einlasshubes eingerichtet wird, so dass Gas aus
dem Abgassystem in die Zylinder strömen kann. Dies führt zu
einer Druckerhöhung in dem Zylinder und einer inneren
Aufladung, welche die Kompressionsarbeit nach dem Abschneiden
der Verbindung zwischen den Zylindern und dem Abgassystem
vergrößert.
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Eine bekannte Art einer Ventilvorrichtung zum Verändern des
Abgasgegendrucks ist eine Abgasdruck-Reguliereinrichtung mit
einem Dämpfer in der Abgasleitung. Große Anforderungen gelten
für die Gestaltung von Dämpferventilen, die in der Lage sein
müssen, mit hoher Verlässlichkeit und einer langen Lebensdauer
in der Abgasleitung-Umgebung zu arbeiten. Sie müssen in der
Lage sein, hohen mechanischen und thermischen Belastungen zu
widerstehen, in der offenen Stellung dürfen sie keinen
Strömungswiderstand bieten oder Turbulenz in der Abgasleitung
erzeugen, und sie dürfen nicht kleben, so dass sie nicht ihre
definierten Stellungen erreichen, wobei es sich hierbei um
eine Tatsache handelt, die oft auftritt, und zwar nach einer
vergleichsweise kurzen Betriebsdauer infolge von
Rußablagerungen. Die WO-A-9429583 offenbart eine Abgasbremse
in der Art einer gleitenden Ventilklappe, die durch eine
Kolben-Zylinder-Vorrichtung betätigt wird.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt allgemein darin,
eine Ventilvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu
erreichen, die höheren thermischen und mechanischen
Belastungen widerstehen kann, als ein Dämpferventil, und die
eine einfache Gestaltung und eine hohe Verlässlichkeit
aufweist. Der Zweck im einzelnen liegt darin, eine
Ventilvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, bei einem
aufgeladenen Motor die Turboeinheit auf bessere Art und Weise
als bisher zu benutzen, um die Bremskraft des Motors zu
variieren.
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Dies wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst, z. B. mittels der Tatsache, dass
das Gehäuse einen Zylinder aufweist, der mit dem
Abgasdurchgang in Verbindung steht, wobei der Zylinder mit
radialem Spiel einen Ventilkörper in der Form eines Kolbens
aufweist, der in den Durchgang unter der Wirkung eines
Druckmediums versetzbar ist, wobei der Kolben an seinen
distalen und proximalen Endflächen Ventilscheiben aufweist,
wobei die proximale Scheibe in einer ausgefahrenen Stellung
des Kolbens gegen einen proximalen Sitz anstößt, der in dem
Zylinder ausgebildet ist, und die distale Scheibe in einer
zurückgezogenen Stellung des Kolbens gegen einen distalen Sitz
anstößt, der in dem Zylinder ausgebildet ist.
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Anspruch 7 definiert die Verwendung des Ventils gemäß Anspruch
1.
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Bei einer derartigen Ventilvorrichtung ist der Kolben das
einzige sich bewegende Teil. Der Kolben erfordert keine
Rückführfedern oder besondere Betätigungseinrichtungen, da er
selbst sowohl als der Ventilkörper in einem Ventilgehäuse als
auch als der Betätigungskolben in einem Betätigungszylinder
funktioniert.
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Es wurde gezeigt, dass eine Ventilvorrichtung gemäß der
Erfindung im Gegensatz zu einem Dämpferventil als ein
Drosselventil in der äußerst aggressiven Umgebung, die in den
Abgasleitungen eines Motors herrscht, funktionieren kann. Bei
einem aufgeladenen Motor kann sie als ein Drosselventil
stromaufwärts des Turbinenabschnitts der
Turbokompressoreinheit angeordnet sein, was zu einer Anzahl
von Vorteilen führt.
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Indem die Ventilvorrichtung näher an den Abgasauslaß der
Zylinder angeordnet wird, wird das Volumen der Abgasleitungen
zwischen den Abgasventilen und der Ventilvorrichtung in der
Abgasleitung verringert, was bedeutet, dass die Kolben nicht
so viel Gas wie bisher hinaus zwingen müssen, um ein
bestimmtes Niveau eines Gegendrucks zu erzeugen. Ein hoher
Gegendruck kann deshalb schneller erreicht werden.
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In einem aufgeladenen Motor mit der Abgasdruck-
Reguliereinrichtung stromabwärts der Turbine wird der
Druckabfall, der über die Turbine erforderlich ist, um für die
Turbine zu ermöglichen, dass sie den Kompressor antreibt, bei
dem Bremsmodus nicht erreicht. Indem anstelle dessen eine
Drosselventilvorrichtung vor dem Turbinenabschnitt angeordnet
wird, und die Drosselfläche an die Turbinenfläche angepasst
wird, kann die Turbokompressoreinheit eine Aufladung auch beim
Bremsmodus schaffen. Es ist wahr, dass auf die Kolben eine
Energie von dem Gas während des Hubes aufgebracht wird, jedoch
ist die Arbeit, welche die Kolben während des
Kompressionshubes gegen das Gas aufbringen müssen, so viel
größer, dass das Nettoergebnis eine höhere Bremskraft ist. Ein
weiterer Vorteil des Zirkulierens von großen Volumina von Gas
durch den Motor beim Bremsmodus ist, dass eine größere
Wärmemenge mit dem Gas entfernt wird, als bei Anordnungen mit
Abgasdruck-Reguliereinrichtungen, bei denen die Wärme in
erster Linie durch das Kühlmittel abgeführt wird.
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Der Turbinenabschnitt einer Turbokompressoreinheit, der dafür
ausgelegt ist, innerhalb des gewöhnlichen
Motorgeschwindigkeitsbereichs zu arbeiten, wenn der Fahrmodus
vorliegt, ist zu groß, um beim Bremsmodus eine Aufladung zu
ermöglichen. Die Ventilvorrichtung gemäß der Erfindung kann
deshalb mit dem Vorteil bei Turbomotoren mit Turbinen
verwendet werden, die eine variable Geometrie aufweisen, oder
bei sogenannten Turboverbundmotoren, die eine
Turbokompressoreinheit mit einer ersten Turbinenstufe, die die
Kompressoreinheit antreibt, und einer zweiten Turbinenstufe,
die über eine Kraftübertragung mit der Motorkurbelwelle
verbunden ist. Bei derartigen Turboeinheiten ist die erste
Turbinenstufe eine kleine Hochdruckturbine, während die zweite
Turbinenstufe eine größere Niederdruckturbine ist. Es wurde
herausgefunden, dass der korrigierte Massenstrom zu der
Kompressorturbine beim Bremsmodus in etwa gleich zu dem beim
Turboverbund-Fahrmodus ist. In einem herkömmlichen Turbomotor
ist die Kompressorturbine jedoch erheblich größer, was
bedeutet, dass der korrigierte Massenstrom während des
Bremsmodus und des Fahrmodus zunächst bei
Motorgeschwindigkeiten oberhalb der Anzahl von Umdrehungen pro
Minute bei einem gewöhnlichen Fahrmodus in etwa gleich sein
wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme
auf Beispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen
gezeigt sind, wobei Fig. 1 schematisch einen Turboverbundmotor
mit einer Ventilvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, und
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Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer
Ventilvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
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In Fig. 1 bezeichnet die Referenznummer 1 einen
Sechszylindermotor mit einem Getriebe 2. Eine
Turbokompressoreinheit, die im Allgemeinen mit 3 bezeichnet
ist, weist eine erste Turbinenstufe 4 und eine zweite
Turbinenstufe 5 auf, die mit dem Motorabgassammler 6 gekoppelt
sind. Die erste Turbinenstufe 4 ist eine kleine
Hochdruckstufe, die einen Kompressor 8 antreibt, der mit der
Motoreinlassleitung 7 gekoppelt ist, während die zweite
Turbinenstufe 5 eine größere Niederdruckstufe ist, die über
eine Kraftübertragung 9 mit der Motorkurbelwelle 10 gekoppelt
ist. Über ein erstes fortlaufendes variables
Leckageklappenventil 17 kann ein größerer oder kleinerer
Anteil des Abgases an der Hochdruckturbine zum Zweck des
Variierens des Ausmaßes der Aufladung 4 abgezweigt werden.
Über ein zweites Leckageklappenventil 18 kann das Abgas zu der
Niederdruckturbine 5 abgezweigt werden. Der Motor 1 weist eine
schematisch angedeutete Kompressionsbremsvorrichtung 19 auf.
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Der Sammler 6 ist in zwei Untersammler 40 geteilt, deren
Auslassleitungen 41 vor dem Einlass in die
Turbokompressoreinheit 3 zusammenlaufen. In jeder Abgasleitung
41 befindet sich ein Drosselventil 42 gemäß der Erfindung, das
eine vollständig offene Stellung und eine Drosselstellung
aufweist, in welcher der Abgasdurchgang 41a der Leitung 41
zwischen dem Einlass 41b und dem Auslaß 41c verringert wird,
um einen Abgasgegendruck in dem Abgasverteiler 6 während der
Motorbremsung zu erzeugen.
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Ein Ventil, das in der Umgebung, die in einem Abgasverteiler
herrscht, funktionieren soll, muss in der Lage sein, hohen
mechanischen und thermischen Belastungen zu widerstehen. In
seiner offenen Stellung darf es keinen Strömungswiderstand
bilden oder Turbulenz in der Abgasleitung erzeugen. Das Ventil
42 erfüllt die Anforderungen und ist im einzelnen in Fig. 2
gezeigt, in der 50 ein zylindrisches Ventilgehäuse bezeichnet,
das vorzugsweise in einem Stück mit dem Abgassammler 6
gegossen ist. Der Zylinderraum 51 in dem Gehäuse 50 öffnet
sich in das Innere der Abgasleitung 41. Die Öffnung 52 selbst
wird durch einen konischen Sitz 53 umgeben, gegen welchen ein
entsprechender Sitz 54 an einem Ende einer Hülse 55 aus
Edelstahl anstößt. Die Hülse 55 wird durch eine Abdeckung 56
an Ort und Stelle gehalten, die fest an dem Gehäuseabschnitt
50 geschraubt ist. Die Abdeckung 56 drückt mit einer konischen
Oberfläche 57 gegen eine entsprechende konische Oberfläche an
den entgegengesetzten Ende der Hülse 55. Die Hülse 55 weist
einen Abschnitt 58 mit verringertem Durchmesser auf, um einen
zylindrischen Luftzwischenraum 59 zu bilden, der mit der
Umgebungsluft über einen ringförmigen Zwischenraum 66 zwischen
dem Gehäuse 50 und der Abdeckung 56 in Verbindung steht.
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In der Hülse 55 ist ein Ventilkörper in der Form eines hohlen
Kolbens 60 angeordnet. Wie in Fig. 2 zu erklären ist, befindet
sich ein kleines Spiel "s" zwischen der äußeren Seitenfläche
des Kolbens 60 und der inneren Seitenfläche der Hülse 55. Der
zylindrische Abschnitt des Kolbens 60 besteht aus einer Röhre
60a aus hartchromplatiertem Edelstahl. An den Enden sind die
Kolbenendstücke 61, 62 an die Röhre 60a befestigt. Diese
bilden Ventilscheiben mit konischen Randabschnitten 60a, 62a
und sind vorzugsweise gesintert. Die Hülse 55 ist an ihrem
distalen Ende mit einem Sitz 55a versehen, gegen welchen der
Randabschnitt 61a der Scheibe 61 dichtend in der offenen
Stellung des Ventils (wie in Fig. 2 gezeigt) anstößt. Wenn
Luftdruck, der etwa 8 Bar übersteigt, zu der Zylinderkammer 63
über einen Einlass 64 zugeführt wird, wird der Kolben 60 nach
links gemäß Fig. 2 zum gleichen Zeitpunkt, wie die
ausströmende Luft in dem Zwischenraum "S" jeglichem Ruß
ausbläst, versetzt. Der Kolben 60 wird senkrecht zu der
Abgasleitung 61 versetzt und hält an, wenn sich seine Scheibe
61 um einen kleinen Abstand von einer Oberfläche 65 an dem
entgegengesetzten Randabschnitt der Leitung 41 befindet, wenn
der konische Randabschnitt 62a der Scheibe 61 einen proximalen
konischen Sitz 55b der Hülse 55 trifft, so dass Abgase nicht
in die Zylinderkammer fließen können. Solange ein Druck in der
Zylinderkammer vorliegt, wird der Kolben 60 in seiner
Drosselstellung gehalten. Der Durchmesser des Kolbens 60 und
der Querschnitt der Leitung 41 sind aneinander angepasst, so
dass ein gedrosselter Durchgang für Abgas zwischen der
Innenwand der Leitung und dem Kolben erhalten wird. Wenn der
Kolben zu der Ausgangsposition gemäß Fig. 2 zurückgeführt
wird, wird die Zylinderkammer 63 abgelassen, und der
Abgasdruck, der durch den Zwischenraum "S" unterstützt wird,
und gegen den Scheibenrand 62 wirkt, versetzt den Kolben in
die Hülse 55. Es sind keine Rückführfedern erforderlich, und
der einzige bewegliche Teil des Ventils ist der Kolben 60, was
zu einer hohen Verlässlichkeit führt.
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Die Kompressions-Bremsvorrichtung 19 ist elektrisch betätigt,
während die Leckageklappenventile 17, 18 und das Drosselventil
42 pneumatisch betätigt sind. Sie sind durch eine
Steuerventileinheit 70, die mit einer (nicht gezeigten)
Druckquelle verbunden ist und eine Steuerungseinheit 71
gesteuert, die vorzugsweise ein Mikroprozessor ist, der
Ausgangssignale zum An- und Ausschalten der Kompressions-
Bremsvorrichtung erzeugt, sowie zum Einstellen der Ventile 17,
18 und 42 in Abhängigkeit von einer Anzahl unterschiedlicher
Motor- und Fahrzeugdaten, die in die Steuerungseinheit von
Sensoren, die als solche bekannt sind und hier im einzelnen
nicht gezeigt sind, zugeführt werden. Wie in Fig. 1 angedeutet
ist, werden Signale in die Steuerungseinheit 71 zugeführt, die
einen Ladedruck und eine Motorgeschwindigkeit, d. h.
Motordaten, sowie Signale, die einen An/Auszustand eines ABS,
die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Kupplungspedalstellung, die
Gaspedalstellung, die Tatsache, ob ein Tempomat an oder
ausgeschaltet ist, und ein Verzögerungsniveau, d. h.
Fahrzeugdaten, darstellen.
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Die Vorrichtung kann wie folgt wirken:
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Der Fahrer stellt durch (nicht gezeigte) manuelle
Einrichtungen die Verzögerung auf ein bestimmtes Niveau ein
und aktiviert den Tempomat, so dass ein Signal, das ein
gewählte Verzögerung bezeichnet, in die Steuerungseinheit 71
zugeführt wird, welche den Befehlswert, der für die
Verzögerung zugeführt wird, mit dem berechneten tatsächlichen
Wert einer Verzögerung, der über den tatsächlichen
Geschwindigkeitswert berechnet wird, verglichen wird. Wenn der
Fahrer das Gaspedal löst, und unter der Annahme, dass das
Kupplungspedal nicht gedrückt ist, wird die Steuerungseinheit
71 über die Steuerungsventileinheit 70 die Drosselventile 42
in die Drosselstellung setzen, wird das Leckageklappenventil
18 öffnen, um über die zweite Turbinenstufe 5 abzuzweigen, und
wird, in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem
tatsächlichen Wert und dem geforderten Wert über das
Leckageklappenventil 17 das geeignete Ausmaß von Aufladung in
der ersten Turbinenstufe 4 regulieren und die
Kompressionssteuerungsvorrichtung 19 aktivieren. Wenn das
gewählte Verzögerungsniveau angesichts der Straßenbedingungen
zu hoch sein sollte, so dass die Antriebsräder durchdrehen,
wird der An/Auszustand des ABS ein Signal erzeugen, um die
Motorbremswirkung zu verringern, indem die Kompressionsbremse
19 abgeschaltet wird, und sie dann bei einem niedrigeren
Verzögerungsniveau angeschaltet wird, oder in dem alternativ
der Fahrer mit der Möglichkeit versorgt wird, ein niedrigeres
Verzögerungsniveau zu wählen. Das Ausschalten der
Kompressionsbremse 19 tritt ferner auf, wenn der Fahrer das
Kupplungspedal drücken sollte, was wichtig ist, um zu
verhindern, dass der Motor abstirbt, was durch einen Verlust
von servounterstütztem Lenken und Bremsen begleitet ist.