TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Ventilaufbau zum Dosieren von Abgas in das
Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Abgasrückführung (AGR) wird in Verbindung mit Verbrennungsmotoren
angewandt, um beim Reduzieren vorgeschriebener Emissionen
Unterstützung zu leisten, indem Abgas in das Ansaugrohr zur Vermischung mit
hereinkommender Ladeluft vor der Lieferung an die Brennkammer des
Motors zu dosieren. Ein Abgasrückführventil wird typischerweise dazu
verwendet, die Menge an Abgas, die dem Einlass geliefert wird, auf der
Grundlage der Betriebsbedingungen des Motors zu steuern. Ein AGR-
Ventil nach dem Stand der Technik benutzt einen Linearsolenoidaktuator,
um einen vorgespannten Zapfen oder ein Sitzventil zu bewegen, wodurch
die Strömung von heißem Abgas in den Einlass dosiert wird. Um das
Ventilelement gegen seine normal geschlossene Vorspannung sowie die
Gasladungskräfte, die durch den Differenzdruck zwischen den Auspuff-
und Ansaugrohren hervorgerufen werden, schnell zu betätigen, muss der
Solenoidaktuator leistungsstark sowie energieeffizient, klein, leicht und
bezüglich der Umwelt haltbar sein.
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Bei dem Abgasrückführventil, das in dem am 4. Juni 1991 für Grey et al.
erteilten U. S. -Patent 5,020,505 ausgeführt ist, umfasst ein
elektromagne
tischer Solenoidaktuator ein primäres und ein sekundäres Polstück, die
eine sich axial erstreckende Kammer definieren, in der ein hin- und
herbeweglicher Anker angeordnet ist. Das primäre und das sekundäre
Polstück sind als zylindrische Ringe ausgestaltet, so dass sie einen festen
Luftspalt zwischen ihren inneren Wänden und dem beweglichen Anker
definieren. Ein Luftspalt von Pol zu Pol ist zwischen gegenüberliegenden
Endflächen der Polstücke zwischen der zylindrischen Kammer definiert.
Um eine lineare Funktion für den Betrieb des Aktuators bereitzustellen,
ist die äußere Wand des primären Polstücks nach außen in die Richtung
der Ankerbewegung verjüngt, so dass, wenn sich der Anker bewegt, die
Masse des Polstücks, durch die der magnetische Fluss hindurch zu treten
gezwungen wird, zunimmt, um die Rate der magnetischen Sättigung zu
steuern, was zu einer linearen Kennlinie der Verschiebung über dem
Strom führt.
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Bei dem oben beschriebenen Linearsolenoidaktuator ist die
Magnetflussstärke, die von dem sekundären Polstück durch den Anker hindurch
übertragen wird, umgekehrt proportional zur Reluktanz des zylindrischen
Luftspaltes, der durch die Überlappung der beiden Bauteile definiert ist.
Diese Reluktanz ist direkt proportional zur Dicke des Luftspaltes und
umgekehrt proportional zur Oberfläche, die zwischen den Bauteilen über
den Luftspalt hinweg gezeigt wird. Für eine feste Dicke des Luftspalts von
der Art, die bei dem beschriebenen Ventil verwendet wird, ist eine
Verbesserung bei der Flussübertragung durch die Oberfläche der Überlappung
von Anker und sekundärem Pol begrenzt. Innerhalb einer gegebenen
Packungsgröße kann eine Verlängerung des unteren Abschnitts des
sekundären Polstücks durch Verkürzen des Spaltes von Pol zu Pol eine
Zunahme in der Überlappungsfläche bewirken. Jedoch führt ein Schließen
des Spaltes von Pol zu Pol zu einer Verringerung der Reluktanz über die
Polspitzen hinweg, was zulässt, dass ein Leckagefluss über den Spalt von
Pol zu Pol hinweg umgeleitet wird. Dieses "Kurzschließen" des
magnetischen Flusses ist nachteilig für die Erzeugung der axialen Kraft des
Solenids, da es den verfügbaren Fluss vom Anker zum primären Pol schwächt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein verbessertes Abgasrückführventil
(AGR-Ventil) zur Verwendung bei der Zuführung von Abgas zu dem
Verbrennungsluftstrom eines Verbrennungsmotors gerichtet. Es ist ein
Ziel der vorliegenden Erfindung, die Reluktanz von Anker zu sekundärem
Polstück zu verringern, um eine Zunahme der Flussübertragung über den
festen Luftspalt zwischen den Aktuatorbauteilen hinweg zu fördern,
wodurch eine Zunahme der Axialkrafterzeugung des Solenoids resultiert. Die
Verringerung der Reluktanz von Anker zu sekundärem Polstück wird
durch eine Zunahme der Oberfläche hervorgerufen, die zwischen den
beiden Bauteilen über den Arbeitsluftspalt hinweg gezeigt wird, während
jede Zunahme im Leckagefluss, der über den Spalt von Pol zu Pol an den
gegenüberliegenden Enden des primären und des sekundären Polstücks
hinweg tritt, minimiert wird.
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Dieses Ziel der Erfindung wird mit einem Ventilaufbau gemäß Anspruch 1
erreicht.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst das
sekundäre Polstück einen verjüngten Abschnitt an seinem Ende neben dem
primären Polstück. Die Verjüngung ist entlang der Außenwand des sekundären
Polstücks angeordnet und nimmt in der axialen Richtung auf das primäre
Polstück zu ab. Das Ende des sekundären Polstücks, das dem primären
Polstück über den Spalt von Pol zu Pol gegenüberliegt, weist eine
reduzierte Dicke auf, ähnlich wie die des verjüngten Endes des primären
Polstücks. Der verjüngte Endabschnitt des sekundären Polstücks erlaubt es,
dass der Spalt von Pol zu Pol minimiert werden kann, wodurch eine
Minimierung der Oberfläche zwischen dem sekundären Polstück und dem
Anker über die Verlängerung der inneren Wand des sekundären Polstücks
zugelassen wird. Im Gegensatz dazu erhöht das Verjüngen des Endes des
sekundären Polstücks gegenüber dem primären Polstück über den Spalt
von Pol zu Pol hinweg die Reluktanz über den Spalt von Pol zu Pol,
wodurch die Flussleckage über den Spalt hinweg minimiert wird und der
Flussweg durch den Anker hindurch bewahrt wird, was zu einer Zunahme
des Gesamtniveaus an von dem Aktuator erzeugter axialer magnetischer
Kraft führt.
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Andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand
der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Abgasrückführventils, das
Merkmalen der vorliegenden Erfindung Form gibt; und
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Ventils von
Fig. 1.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In Fig. 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichnetes, über einen Linearsolenoid
betätigtes Abgasrückführventil (AGR-Ventil) zur Lieferung von Abgas an
die Verbrennungsluftladung eines Verbrennungsmotors gezeigt. Das AGR-
Ventil 10 umfasst einen Grundaufbau 12, einen Ventilaufbau 14, einen
elektromagnetischen Solenoidaktuator 16 und einen
Zapfenstellungssensor 18. Der Grundaufbau umfasst wie in Fig. 1 veranschaulicht ein
Gehäuse 20, über das das Ventil 10 an dem Motor 22 befestigt ist und durch
das Abgas durch Öffnungen 24 und 26 hindurch strömen kann, die durch
einen Abgaskanal 28 miteinander verbunden sind. Ein Ventilsitz 30
umgibt die Öffnung 24 und nimmt ein Sitzventilelement 32 auf, das sich in
und aus dem Eingriff mit diesem bewegt, um die Abgasströmung durch
das Gehäuse 20 hindurch zu regeln. Der Ventilaufbau 14 umfasst auch
einen Ventilschaft 34, der sich durch eine Öffnung 36 im Oberteil 38 des
Gehäuses 20 zur Anbringung an dem Aktuator 16 erstreckt.
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Der Aktuator 16 umfasst ein zylindrisches Aktuatorgehäuse 40 mit
integralen hohlen Stützelementen 42, die sich vom Unterteil 44 zum Eingriff
mit dem Oberteil 38 des Grundgehäuses 20 erstrecken. Die Sützelemente
42 dienen dazu, das heiße Grundgehäuse 20 gegenüber dem Aktuator 16
zu isolieren, während sie Befestigungselemente, wie Schrauben 46
aufnehmen, die, wenn sie mit entsprechenden Gewindeöffnungen 48 im
Oberteil des Grundgehäuses 20 in Eingriff stehen, dazu dienen, den
Aktuator 16 in starrem Eingriff mit diesem zu halten. Vom Unterteil 44 des
zylindrischen Aktuatorgehäuses 40 aus erstreckt sich auch eine
abgestufte zylindrische Verlängerung 60, die derart ausgestaltet ist, dass sie
verschieblich und abdichtend mit der Ventilschaftöffnung 36 im Oberteil 38
des Grundgehäuses 20 in Eingriff steht. Eine Öffnung 52 in der
Verlängerung 50 erlaubt es, dass der Ventilschaft 34 koaxial durch diese hindurch
und in das Innere des zylindrischen Aktuatorgehäuses 40 hinein verlaufen
kann, wo er von einem Lagerelement 54 getragen ist, das in der
abgesetzten Verlängerung 50 angeordnet ist.
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Der Aktuator 16 umfasst ferner einen Linearsolenoid 56, der im Inneren
des zylindrischen Aktuatorgehäuses 40 angeordnet. Der Solenoid 56 weist
ein schalenförmiges primäres Polstück 58 auf, das verschieblich in das
Gehäuseinnere eingesetzt ist und definiert ist durch sich axial
erstreckende zylindrische Seiten 60, die ein offenes oberes Ende 62 definieren, wie in
den Figuren betrachtet, einen ringförmigen unteren Abschnitt 64, der eine
zentral angeordnete Öffnung 66 für den Hindurchtritt des Ventilschaftes
34 definiert, und einen zylindrischen primären Pol 68, der um die Öffnung
66 herum angeordnet ist und sich axial von dem unteren Abschnitt 64
aus erstreckt, so dass er zwischen dem Unterteil und dem offenen oberen
Ende 62 endet. Ein sekundäres Polstück 70 umfasst einen zylindrischen
sekundären Pol 72, der sich in das Innere des primären Polstücks in
koaxialer Beziehung zu dem primären Pol 68 erstreckt. Das
Abschlussende 74 des sekundären Pols 72 ist in beabstandeter Beziehung zum
Abschlussende 76 des primären Pols 68 angeordnet, um einen Spalt von Pol
zu Pol 78 dazwischen zu definieren. Ein Flansch 80, der sich vom oberen
Ende des sekundären Pols 70 aus nach außen erstreckt, dient dazu, das
offene obere Ende 62 des primären Polstücks 58 zu verschließen. Im
zusammengebauten Zustand definieren das primäre und das sekundäre
Polstück einen ringförmigen Raum 82 zwischen den äußeren Wänden 84
und 86 der primären und sekundären Pole 68 bzw. 72 und den axialen
zylindrischen Seiten 60 des primären Polstücks 58. Ein Spulenaufbau 88,
der einen Spulenkörper 90 umfasst, auf den eine Spule 92 gewickelt ist,
ist innerhalb des ringförmigen Raums 82 angeordnet und mit elektrischen
Verbindern 94 zur Anbringung des AGR-Ventils 10 an eine externe
Energiequelle, nicht gezeigt, verbunden. Durch den Aufbau des primären und
des sekundären Polstücks 58 und 70 ist auch eine axiale Kammer 96
definiert. Die axiale Kammer 96 ist durch die inneren Wände 98 und 100
der koaxial ausgerichteten primären und sekundären Pole 68 bzw. 72
definiert und ist derart ausgestaltet, dass sie für eine hin- und hergehbare
Bewegung darin einen im Wesentlichen zylindrischen Anker 102
aufnimmt. Der Anker weist eine sich zentral erstreckende Öffnung 104 auf,
die das distale Ende des Ventilschaftes 34 aufnimmt, der an dem Anker
unter Verwendung eines Befestigungselements 106 befestigt ist. Eine
Ventilrückstellfeder 108, die zwischen dem Anker 102 und dem
Lagerelement 54 sitzt, dient dazu, den Anker 102 und seinen zugeordneten
Ventilaufbau 14 in eine normal geschlossene Stellung, Fig. 1, relativ zu dem
Ventilsitz 30 vorzuspannen. Kritisch für die Funktion des Ankers 102
innerhalb des Solenoids 56 ist das Aufrechterhalten eines primären
Umfangsluftspaltes 110 zwischen der äußeren Umfangsfläche 112 des Ankers
und den entsprechenden inneren Flächen 98 und 100 der Pole 68 bzw.
72. Der Luftspalt 110 ist durch ein Hülsenelement 114 hergestellt, das
zwischen dem Anker 102 und den Polen 68, 72 angeordnet und aus
nichtmagnetischem Material, wie rostfreiem Stahl oder Kunststoff
aufgebaut ist.
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Um eine lineare Beziehung zwischen Kraft und Strom über den
Ventilbewegungsbereich herzustellen, ist die äußere Wand 84 des primären Pols
68 von der Aktuatorachse 116, Fig. 2, in einer Richtung, die von dem
Spalt von Pol zu Pol 78 weg gerichtet ist, nach außen verjüngt, so dass,
wenn sich der Anker 102 in die Richtung des Unterteils 64 des primären
Polstücks 58 bewegt, um das Ventil 32 von dem Ventilsitz 30 weg zu
öffnen, die Masse des Polstücks, durch die der magnetische Fluss von
dem Anker 102 zu dem primären Pol 68 treten kann, erhöht wird,
wodurch eine angestrebte Kennlinie der linearen Verschiebung über den
Strom geschaffen wird. Die verjüngte äußere Wand 117 des primären Pols
68 erlaubt es, dass die innere Wand 98 im Wesentlichen zylindrisch
bleiben kann, wodurch der erforderliche, feste Luftspalt 110 mit dem Anker
102 definiert wird, was eine wesentliche Steuerbarkeit des Betriebes des
Aktuators und somit des AGR-Ventils 10 liefert, da die Kraftkennlinie über
den festen Spalt 110 nicht aufgrund einer sich ändernden
Spaltabmessung variieren wird.
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Um einen größeren Weg für den Fluss von dem sekundären Polstück 70
zum Anker 102 über den festen Luftspalt 110 hinweg bereitzustellen, ist
der Luftspalt von Pol zu Pol 78 minimiert, wodurch die axiale Länge des
sekundären Pols 72 maximiert wird und dadurch die Oberfläche zwischen
der gegenüberliegenden Innenfläche 100 des sekundären Pols 72 und der
Außenfläche 112 des Ankers 102 maximiert wird. Durch Erhöhen der
gegenüberliegenden Oberfläche zwischen dem Anker 102 und dem
sekundären Pol 72 wird die Magnetflussstärke, die von dem sekundären
Pol durch den Anker übertragen wird und die proportional zur Oberfläche
des zylindrischen Luftspaltes 110 ist, die durch die Überlappung des
sekundären Pols 72 und des Ankers 102 gebildet wird, maximiert,
wodurch die Erzeugung einer maximalen axialen Kraft durch den
Solenoidaktuator bereitgestellt wird.
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Das Minimieren des Luftspalts von Pol zu Pol 78 wird typischerweise zu
einer Verringerung der Reluktanz zwischen den Abschlussenden 76 und
74 des primären und des sekundären Pols 68 bzw. 72 führen. Ein
Verringerung der Reluktanz über den Spalt 78 hinweg, wird bewirken, dass ein
Teil des Flusses, der sich normalerweise über den festen Luftspalt 110
und durch den Anker 102 hindurch bewegen würde, direkt über den Spalt
von Pol zu Pol 78 in der Form eines Leckageflusses umgeleitet wird. Der
Leckagefluss wirkt nachteilig auf die Erzeugung einer axialen Kraft des
Solenoids, da er den verfügbaren Fluss 118, der sich von dem sekundären
Pol 72 durch den Anker 102 bewegt, verkleinert. Ein verjüngter
Abschlussendabschnitt 120 des sekundären Pols 72 verbindet sich mit dem
verjüngten Abschlussendabschnitt 76 des primären Polstücks 68, um die
gegenüberliegenden Oberflächen von Pol zu Pol "A" und "B" über den Spalt
von Pol zu Pol hinweg zu reduzieren.
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Der Zapfenstellungssensor 18 verschließt den Aktuator 40. Der
Zapfenstellungssensor weist einen vorgespannten Folger 120 auf, der mit der
oberen Fläche des Ankers 102 in Kontakt steht und sich gemeinsam mit
dem Ventilschaft 34 bewegt, um dessen Stellung und infolgedessen die
Stellung des Ventilkopfes 32 relativ zu dem Ventilsitz 30 zu verfolgen. Die
Stellung des Ventilschaftes 34 wird von dem Stellungssensor in ein
elektrisches Signal umgesetzt und über die elektrischen Verbindungen 94 zu
einem geeigneten Controller (nicht gezeigt) übertragen.
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Fig. 1 zeigt das AGR-Ventil 10 in einer geschlossenen Stellung, auf die
während einer Einstellung mit weit offener Drossel getroffen werden
könnte, wenn es nicht erforderlich ist, dem Einlass des Motors Abgas
zuzuführen. In der geschlossenen Stellung bleibt die Spule 92 in einem abgeregten
Zustand und infolgedessen werden keine Kraft erzeugenden
Magnetflussfelder hergestellt. Die Feder 108 spannt den Anker 102 und den
angebrachten Ventilaufbau 14 in eine geschlossene Stellung relativ zu dem
Ventilsitz 30 vor, um eine Strömung von Abgas von der Abgasquelle zum
Einlass über den Kanal 28 in dem Grundaufbau 12 zu verhindern. Wenn
ein zugeordneter Controller feststellt, dass die Motorbetriebsbedingungen
das Einleiten einer dosierten Menge an AGR in die Einlassladeluft
garantieren, wird ein Stromsignal zur Spule übertragen, um ein Magnetflussfeld
118, Fig. 2, über den radialen Luftspalt 110 hinweg herzustellen. Die
Flussübertragung durch den Anker 102 induziert eine Kraft in der
Öffnungsrichtung des Ventils, die den Anker und den Ventilaufbau 14
drängt, sich aus ihrer geschlossenen Stellung relativ zu dem Ventilsitz 30
gegen die Vorspannung der Feder 108 weg zu bewegen, um zuzulassen,
dass Abgas durch das Gehäuse 20 von der Abgasquelle zum Einlass des
Motors über den Kanal 28 strömt. Die verlängerte Länge des sekundären
Pols 72 definiert die maximale Überlappung des sekundären Pols 72 mit
dem Anker 102, wodurch ein Weg mit niedriger Reluktanz für die
Übertragung von Fluss über den festen radialen Spalt 110 hinweg geschaffen
wird. Der verjüngte Abschlussendabschnitt 121 des sekundären Pols 72
funktioniert mit dem ähnlich verjüngten Endabschnitt 117 an dem
primären Pol 68, um die gegenüberliegenden Oberflächen über den Spalt von
Pol zu Pol 78 zu minimieren, was dadurch den kraftbegrenzenden
Leckagefluss über den Spalt von Pol zu Pol 78 hinweg minimiert.
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Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist für den Zweck einer Veranschaulichung und Beschreibung
dargelegt worden. Sie soll weder erschöpfend sein noch soll sie die
Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken. Fachleuten wird
er
sichtlich sein, dass die offenbarte Ausführungsform im Lichte der obigen
Lehren abgeändert werden kann. Die beschriebene Ausführungsform
wurde gewählt, um eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung
und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen, um dadurch einem
Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung in
verschiedenen Ausführungsformen und verschiedenen Abänderungen, wie
sie für die besondere in Betracht gezogene Verwendung geeignet sind, zu
benutzen. Deshalb ist die vorstehende Beschreibung vielmehr als
beispielhaft statt als begrenzend anzusehen, und der rechtliche
Schutzumfang der Erfindung ist der, der in dem folgenden Anspruch beschrieben
ist.