DE69729814T2

DE69729814T2 - Fahrzeugfluidkontrollsystem mit druckbalanziertem Elektromagnetventil

Info

Publication number: DE69729814T2
Application number: DE69729814T
Authority: DE
Inventors: Christian Steinmann; Michael J. Covey; Thomas D. Herrington; Michael T. Clark; John W. Dillon; Steven J. Roskowski; Keith D. Marsh
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: DE69729863D1; DE69729814D1; EP0900329A4; EP0900329A1; AU3134597A; EP0900329B1; WO1997044580A1; DE69729863T2; US6178956B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Magnetventile und Fluidsteuersysteme zum Einsatz in Automobilen oder anderen Fahrzeugen, wovon ein bevorzugtes System ein magnetventilbetriebenes Abgasrückführungssystem für Verbrennungsmaschinen ist.
Fluidsteuerventile und Fluiddurchflusssysteme werden umfassend an einem Automobil zur Fluidflusssteuerung verwendet. Beispiele für Fluidflusssysteme beinhalten: (a) Luft und Abgasrückführung (EGR) zu Verbrennungskammern oder Zylindern einer Verbrennungsmaschine, (b) Wasserfluss für die Steuerung der Kühlung einer Verbrennungsmaschine, und (c) warmer/kalter Luftstrom zur Anpassung der Temperatur innerhalb des Passagierraumes eines Fahrzeuges. Diese Fluidflüsse werden in der Regel durch Fluidsteuerventile betrieben, insbesondere durch magnetbetriebene Ventile.
Derzeit ist es gebräuchlich eine Abgasrückführung in dem Brennstoffhandhabungssystem von automobilen Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen, um den Betrag von Schadstoffen in dem Abgas zu verringern und um die Brennstoffausbeute zu verbessern. Dies wird durch Ausnutzung eines Teiles des Abgases erreicht und durch Kombination des abgetrennten Abgases mit einer Aufladung einer Luft/Brennstoff-Befüllung für die Verbrennungskraftmaschine. Wenn das Gleichgewicht zwischen Luft, dem Brennstoff und dem Abgas sich so darstellt, dass ein ideales stöchiometrisches Mischungsverhältnis vorliegt, während eine maximale Leistung erzeugt, es wird eine minimale Menge an Brennstoff verbraucht und ein minimales Aufkommen an Schadstoffen vor liegt.
Insbesondere wenn das Abgas in den Brennstoff und die Luft mit eingebunden wird, und in Verbrennungskammern verbrennt, so ist dies aus unterschiedlichen Gründen hilfreich. Zunächst werden Schadstoffe, insbesondere Stickoxide (NOx), bevorzugt bei höheren Temperaturen in Verbrennungskammern produziert. Abgase weisen eine größere spezifische Wärme auf als Luft, womit die Anwesenheit von Abgas anstelle von Luft zur Verringerung von Temperaturen in Verbrennungskammern beiträgt.
Wenn weniger als die volle Leistung von einem Motor benötigt wird, so benötigen auch die Verbrennungsräume keinen voll ständigen Anteil von Luft, da ein reduzierter Betrag von Brennstoff in der Regel zu diesen geliefert wird. Entsprechend ersetzt Abgas einen Teil der Luft, so dass die geringeren Beträge an Brennstoff und Luft erneut stöchiometrisch im Gleichgewicht sind. Mit weniger Luft und Brennstoff zur Verbrennung wird der Betrag an erzeugter Wärme geringer werden, womit erneut die Temperatur in den Verbrennungskammern auf einem geringeren Niveau gehalten wird und der Betrag an erzeugten Schadstoffen sinkt.
Weiterhin reduziert der Zusatz von Abgas zur Einlassluft den Betrag an Arbeit, den eine Maschine leisten muss. Das Abgas steht normalerweise unter einem positiven Druck relativ zu der Einlassluft. Deshalb vermindert der Zusatz dieses Abgases zur Einlassluft den Betrag des Vakuums, welches durch Kolben erzeugt werden muss, um die Gase in die Zylinder einzusaugen.
Es ist jedoch Sorgfalt angebracht, keinen Überschuss an Abgas in das Brennstoff/Luft/Abgasgemisch einzubringen. Falls zu viel Abgas eingeführt wird, kann die Maschine ruppig laufen. Entsprechend wird die Brennstoff/Luft/Abgasmischung, die in die Verbrennungskammern eingeführt wird, speziell überwacht um sicherzustellen, dass es einen Überschuss an Brennstoff und Luft bei den Kosten für den Entfall eines optimalen Betrages an Abgas gibt. Bei der Betrachtung von 1 stellen die Kurven 16A–D Maximumprozente des Maschinendrehmomentes gegen die Maschinendrehzahl RPM für unterschiedliche Prozentsätze der offenen Drosselstellung dar. Der eingekreiste Bereich 17 gibt den theoretischen Anteil der Kurve wieder, in welchem Abgas zur Einlassluft zugefügt werden sollte, um eine optimale Gasmischung und reduzierte Schadstoffe zu erhalten. Der umrandete Bereich 18 zeigt einen wesentlich kleineren Teil des umrandeten Bereiches 17, in welchem herkömmliche Motoren bisher betrieben werden. Der Bereich 19, wie er im Folgenden genauer beschrieben wird, gibt den allgemeinen Bereich der Umsetzung der vorliegenden Erfindung wieder. Verbrennungskraftmaschinen der heutigen Zeit werden somit nicht so wirksam wie möglich betrieben. Dies ist größtenteils auf die vorhandene Unfähigkeit der magnetspulenbetriebenen Ventilmechanismen bezogen, die die Einführung von Abgas in einen Umgebungsluftstrom genau steuern sollen, welcher dann in Richtung auf eine oder mehrere Verbrennungskammern zur Verbrennung mit Brennstoff geführt wird.
Ein Abgasrückführungsventil vom Typ eines Tellerventiles wird häufig eingesetzt, um eine Überwachung des Betrages des Abgases zu liefern, das abgezweigt und zurückgeführt wird Verbrennungskraftmaschine zur erneuten Verbrennung. In einem bekannten System ist bisher ein mechanisch betätigtes Tellerventil eingesetzt worden, in welchem ein elektrisches Steuersignal einen Vakuummotor steuert, welcher selbst ein Tellerventilelement betätigt. Das Ansprechen des vakuummotorbetätigten Tellerventilteiles ist jedoch häufig zu langsam, um den genau gesteuerten Einlass von Abgas in die Einlassluft zu tätigen, sogar wenn dies durch ein elektronisches Signal gesteuert wird.
Einige EGR Systeme verwenden magnetfeldbetätigte Tellerventilglieder, um ein schnelleres Ansprechen zu erreichen. Dies wird beispielsweise beschrieben in U.S. Patterns 4,805,582, 4,961,413 und 5,094,218. Jedoch liefert, wie es durch diese Patente vorgestellt wird, der Druck des Abgases in bekannten magnetspulenbetätigten EGR Ventilen Kräfte, die dazu tendieren, Tellerventilglieder zu öffnen, welche in der geschlossenen Position durch Federvorrichtungen gehalten werden. Dies ist ein Nachteil, da die Zusammenstellung den Einsatz von schweren Federn erfordert, um sicherzustellen, dass das Tellerventilglied sich nicht von seinem Ventilsitz abhebt, wenn der Druck des Abgases hoch ist, so wie während Frühzündungen oder unter Lastbedingungen der Maschine.
Damit sind, da das magnetspulenbetätigte EGR Ventilsystem die Kräfte der großen Schließfeder überwinden muss, um das Tellerventilglied zu öffnen, relativ große Solinoide erforderlich, was in einer anwachsenden Größe und in gravierenden Nachteilen für die Systeme resultiert. Diese Nachteile sind wichtige Faktoren insbesondere in automobilen Anwendungen, in denen sich das Gewicht auf den Brennstoffverbrauch derart auswirkt, dass heute dort andauernde und wesentliche Anstrengungen, dieses Gewicht zu reduzieren, unternommen werden.
Weil darüber hinaus Federn, Tellerventilteile und Magnetanker in bekannten Systemen groß und schwer sind, müssen große Beträge von Strom für die Solinoide bereitgestellt werden, um die großen Federkräfte zu überwinden und die Tellerventilglieder zu öffnen. Dies erhöht wiederum die Last der elektrischen Systeme des Fahrzeuges.
Schließlich sind bekannte EGR Ventile, an denen Solinoide eingesetzt werden, häufig schwierig zu steuern. Zunächst auf Grund der relativ schweren oder massiven Bestandteile, die in dem Aufbau der EGR Ventile verwendet werden, kann die Ansprechzeit für Magnetanker und Tellerventilgliedsteuerung sich verlängern. Ebenso können Vibrationen auf Grund des Maschinenbetriebes und Stöße des Fahrzeuges auf Grund von Unregelmäßigkeiten der Straßenoberfläche einen massiven Magnetanker unabhängig vom Rest des EGR Ventiles, das in einem Fahrzeug eingebaut ist, bewegen.
Zudem ist die herkömmliche Technologie nicht ausreichend dazu geeignet, die Position eines Tellerventilgliedes relativ zu einem Ventilsitz genau zu identifizieren. Diesbezüglich bestimmt die Position des Tellerventilgliedes die Menge des Fluidflusses durch das EGR Ventil und ist dafür bezeichnend. Potentiometerbasierte Sensoren enthalten einen metallischen Leiter, der an dem Gehäuse befestigt ist und zumindest einen Schaltarm, der funktionsmäßig mit einem Tellerventilglied und/oder einem Magnetanker verbunden ist. Der Schaltarm gleitet relativ zu nicht beweglichen metallischen Leitern innerhalb des EGR Ventiles, um die Position des Tellerventilgliedes zu bestimmen. Diese potentiometerbasierten Sensoren sind empfindlich auf Fahrzeugschwingungen und ständiger Abnutzung von Bauteilzyklen. Ventile mit potentiometerbasierten Sensoren müssen mechanisch kalibriert werden und sind deshalb schwierig und zeitaufwändig zu kalibrieren während des Zusammenbaues. Weiterhin ist ihre Genauigkeit häufig merklich über die Lebensdauer eines EGR Ventiles gestört.
Allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten solenoidaktivierten Ventilvorrichtung zum Einsatz in Fluidflusssystemen, insbesondere in Fahrzeugen. Diese Ventilvorrichtungen werden insbesondere in EGR Systemen und in Kühlwasserflusssystemen eingesetzt, obwohl die Erfindung nicht auf die Verwendung in derartigen Systemen beschränkt ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines modularen Types von Solenoiduntergruppen, welche zusammengebaut, getestet und kalibriert werden können, bevor sie auf eine Vielzahl von Basisgehäusen zu befestigen ist, die speziell zur Befestigung an einem bestimmten Maschinengehäuse oder Rohrverteiler ausgelegt sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Lieferung eines solenoidbetätigten Ventilgliedes, welches einen genaueren und nicht mechanischen Sensor verwendet, um genau die Position eines Ventilgliedes zu erfassen und welches keine mechanischen Bauteile aufweist, welche einem physikalischen Verschleiß unterliegen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Positionssensors in einer Ventilvorrichtung, welche schnell, kostengünstig und elektronisch kalibrierbar ist.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun deutlicher anhand relevanter Punkte der vorliegenden Beschreibung in Verbindung mit den 11 bis 14 der begleitenden Zeichnungen und den angehängten Patentansprüchen beschrieben. Die 1 bis 10 und 15 bis 27 stellen lediglich Informationen dar, die nicht Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wiedergeben.
1 zeigt ein Schaubild, in dem prozentual das maximale Maschinendrehmoment gegen die Maschinendrehzahl pro Minute (RPM) dargestellt ist für unterschiedliche Drosselöffnungspositionen, wobei im Diagramm eingekreiste Bereiche vorhanden sind, die aufzeigen, unter welchen Bedingungen das Abgas zur Einlassluft zugemischt ist;
2A und 2B sind schematische Darstellungen, die Kolben in den Verbrennungskammern zum Austreiben von Abgas zeigen und die ein Gemisch von Einlassluft und Abgas während des Ausstoßes einziehen, und Ansaughübe, entsprechend einer Maschine zur Abgasrückführung in einem konventionellen Abgasrückführungssystem;
3 zeigt eine schematische Ansicht, die teilweise aufgeschnitten ist, eines Abgasrückführungssystemes, welches eine druckausgeglichene, solenoidbetätigte Abgasrückführungs(EGR)-Ventilvorrichtung darstellt und ein Fluidmischgehäuse;
4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines bevorzugten Fluidmischgehäuses mit einer EGR Ventilvorrichtung, auf die in Wirkverbindung mit dem Fluid ein Lufteinlassdurchgang und ein Kollektor befestigt sind;
5 zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 5-5 der 3 aufgenommen ist;
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der 5;
7A–G sind Querschnittsansichten, die von dem Fluidmischgehäuse aufgenommen sind, wie sie entsprechend der folgenden Linien in 5 platziert sind: 7A-7A, 7B-7B, 7C-7C, 7D-7D, 7E-7E, 7F-7F und 7G-7G;
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer druckausgeglichenen, solenoidbetätigten Ventilvorrichtung;
9 zeigt eine Querschnittsansicht einer druckausgeglichenen, solenoidbetätigten Ventilvorrichtung;
10A–10C zeigen Aufbauplandiagramme der ausgeglichenen Kräfte, die auf die Ventilglieder wirken und Magnetanker der entsprechenden Ventilvorrichtungen, dargestellt in den 5, 8 und 9;
11A und 11B zeigen Querschnittsansichten und Unteransichten einer druckausgeglichenen, solenoidgesteuerten Ventilvorrichtung, beinhaltend eine vorgefertigte Solenoiduntereinheit, die auf einem Basisgehäuse entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebracht ist;
12A–12E zeigen Schaubilder, die die Schritte wiedergeben, die zur Kalibrierung eines Feldsensors in der erfinderischen Ventilvorrichtung verwendet werden;
13 zeigt ein Blockdiagramm eines Rückkopplungssystemes, welches zur Steuerung der Position eines Ventilgliedes verwendet wird;
14 zeigt eine schematische Ansicht beinhaltend einen induktiven Sensor, welcher als ein Feldsensor verwendet wird;
15 zeigt eine schematische Ansicht der vorliegenden Erfindung in einem Flüssigkeitskühlungssystem;
16 zeigt eine Querschnittsansicht einer druckausgeglichenen, solenoidgesteuerten Ventilvorrichtung;
17 zeigt ein Aufbauplandiagramm der Ausgleichskräfte, die auf einen Magnetanker wirken und Magnethalterungen der Ventilvorrichtung des fünften Ausführungsbeispiels;
18A zeigt eine schematische Ansicht eines sich entsprechend einem Halleffektsensor hin- und herbewegenden Magneten;
19 zeigt, dass das Spannungsausgangssignal des Halleffektsensors linear in Bezug auf die Bewegung eines Magnetankers, einer Magnethalterung und darauf befestigtem Magneten ist,
20 zeigt eine schematische Ansicht eines Halleffektsensors, wobei der Strom auf einen Spannungsteiler geführt wird;
21 zeigt die Wirkung der Verwendung eines Spannungsteilers zur Veränderung der Kurvensteigung eines Spannungsausgangssignales gegen eine Magnetankerversetzungskurve für die Ausgangsspannung für eine Zusammenstellung entsprechend 20;
22 zeigt eine Querschnittsansicht einer druckausgeglichenen, solenoidgesteuerten Ventilvorrichtung;
23 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Ventilvorrichtung nach 22, wobei zwei Positionen des Diagrammes bildlich dargestellt werden;
24 zeigt eine perspektivische Ansicht einer solenoidgesteuerten Ventilvorrichtung;
25 zeigt eine Seitenansicht der solenoidaktivierten Ventilvorrichtung nach 24;
26 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ventilvorrichtung;
27 zeigt eine perspektivische Ansicht einer solenoidbetätigten Ventilvorrichtung.
Teile der folgenden Beschreibung beziehen sich auf die 1–10, 15–27 und sind lediglich zur Information.
Wie weiterhin genauer erklärt wird, kann die vorliegende Erfindung in einer Anzahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden, in denen insbesondere Fluidflusssysteme für Automobile und andere Fahrzeuge beteiligt sind. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in einem Abgasrückführungssystem (EGR) und einem Maschinen-Wasserkühlungssystem eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung kann ebenso in anderen vergleichbaren oder gleichartigen Systemen verwendet wer den, in denen Vorteile und Merkmale der Erfindung genauso erzielbar sind. Zu Illustrationszwecken wird beispielhaft und erklärend über Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung berichtet, jedoch nicht zum Zwecke der Begrenzung ihres Einsatzes oder der Anwendung, wobei die vorliegende Erfindung in Einzelheiten relativ zu ihrem Einsatz in einem EGR System erklärt wird. Dies ist derart zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung für den Einsatz in sämtlichen Typen von Maschinen gedacht ist, die sowohl Diesel- als auch Nicht-Dieselmotoren sein können.
Der Zusatz von Abgas zur Einlassluft kann sich sehr vorteilhaft auf die Maschinenleistung auswirken, insbesondere in den Bereichen von erhöhtem Kraftstoffverbrauch und bei der Reduktion von Stickoxyden (NOx) als Umweltschadstoffe. Die 1 zeigt ein Diagramm von Kurven 16A–D mit dem prozentualen maximalen Motordrehmoment aufgetragen gegen Maschinenumdrehungen pro Minute (RMP), für eine unterschiedliche Anzahl von Drosselpositionen. Die Drosselpositionen sind durch eine prozentuale Öffnung ausgedrückt von 20%, 50%, 80% und 100%, jeweils für entsprechende Kurven 16A–D, wodurch die Fähigkeit der Drossel zur Begrenzung der Einlassluft in den Ansaugkrümmer des Motors bedacht wird. Wenn die Drosselöffnung für eine vorgegebene RPM erhöht wird, so steigt korrespondierend das Motordrehmoment an.
Wie bereits angedeutet, sind die gängigen EGR Ventile relativ schwer und sprechen deshalb langsam an. Weiterhin sind Sensoren, die zur Identifizierung der Ventilgliedposition eingesetzt werden, die bestimmend ist für den Abgasstrom, relativ ungenau und anfällig dafür, dass sich die Genauigkeit verschlechtert. Folglich werden Mischungen aus Abgas mit Einlassluft auf herkömmliche Weise hergestellt auf sehr konservativer Basis. Der eingekreiste Bereich 18 zeigt, wenn auch nicht genau, so doch beispielhaft das maximale Drehmoment gegen die RPM Kurve, wobei das Abgas laufend in Standardmotorgestaltungen verwendet wird. Der eingekreiste Bereich 17 zeigt die ungefähre Zone an, in der die Einführung des Abgases in die Einlassluft theoretisch von Vorteil für die Motorleistung sein kann. Der eingekreiste Bereich 19 stellt den Bereich dar, in dem die vorliegende Erfindung idealer Weise mit verbessertem rückkopplungsgesteuertem Ansprechen eines EGR Ventiles und verbesserter Sensitivität für die Ventilgliedposition und somit besserer Bestimmung der Abgasmenge funktioniert, die der Einlassluft hinzuzufügen ist. Die vorliegende Erfindung liefert somit einen verbesserten Kraftstoff/Gas-Verbrauch und eine Schadstoffsteuerung über genauere Abgasmessung, welches ermöglicht, einen Motor näher an der theoretischen Leistungsgrenze zu betreiben. Die Bestandteile, die dieses verbesserte EGR System ermöglichen, werden im Folgenden beschrieben.
3 zeigt ein Teil einer Verbrennungskraftmaschine 20. Der Motor 20 beinhaltet ein Fluidmischgehäuse 22 auf dem eine EGR Ventilvorrichtung 24 befestigt ist, von denen beide entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt sind. Das Mischgehäuse 22 nimmt Frischluft vom Luftreiniger 26 auf und Abgas von einem Abgasrückführungsrohr 28. Die Luft und das Abgas werden in dem Mischgehäuse 22 gemischt und das Abgas/Luftgemisch wird in einen Kollektor 30 der Maschine 20 eingeführt. Der Einlasskrümmer 31 enthält das Mischgehäuse 22 und den Kollektor 30.
Der Kollektor 30 ist fluidmäßig mit einem oder mehreren Motorzylindern 32 (nicht dargestellt) verbunden, die als Verbrennungskammern dienen. Ein Kolben 40 und eine Verbindungsstange 42 sind an jedem der Zylinder 32 angeordnet. Die Leistung wird auf eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) durch Kolben 40 und Verbindungsstangen 42 übertragen, wenn eine Brennstoff/Luft/Abgasmischung im Zylinder 32 verbrannt wird. Das Einlassventil 34 und das Abgasventil 36 steuern den Gasfluss in und aus dem Zylinder 32 hinein und hinaus. Das am Zylinder 32 austretende Abgas tritt in einen Abgaskrümmer 38 ein. Der Kanal oder das Rohr 28 speist einen Teil des Abgases von dem Abgaskrümmer 38 in das Mischgehäuse 22.
Der Kolben 40 zieht das Abgas/Luftgemisch während eines Einlasshubes ein, der einen negativen Druck P_N in dem Einlasskrümmer 31 relativ zu dem umgebenden atmosphärischen Luftdruck erzeugt. Ein positiver Druck P_P relativ zur umgebenden Luftatmosphäre wird im Abgaskrümmer 38 auf Grund des Abgases, welches von dem Zylinder 32 während eines Abgashubes herausgedrückt wird, erzeugt. Entsprechend passiert das Abgas vom Abgaskrümmer 38 über das Rohr 28 zu dem Mischgehäuse 22, welches in fluidischer Verbindung mit dem Einlasskrümmer 31 steht.
Andere Bestandteile des Motors 20 beinhalten eine Motorsteuerung 50, einen Luftmassenflusssensor 52, einen Luftreiniger 26 und Einlass- und Abgasventilaktuatoren 54 und 56, welche entsprechend das Einlass und das Abgasventil 34 und 36 steuern. Ebenso ist eine Drossel 60 zur Steuerung des Lufteinlasses in einem Lufteinlassdurchgang 62 vorgesehen und positioniert zwischen dem Sensor 52 und dem Mischgehäuse 22. Eine Injektorvorrichtung 64 steuert den Fluss an Brennstoff in den Zylinder 32. Die Motorsteuerung 50 empfängt Eingangsdaten, wie Motorgeschwindigkeit, Druck und Temperatur im Krümmer und Massendurchfluss und sendet Signale, welche den Betrieb einer EGR Ventilvorrichtung 24, Drossel 60 und Brennstoffinjektorvorrichtung 64 genauso steuert wie andere Maschinenbestandteile.
In 4 sind bildlich eine Kombination des Fluidmischgehäuses 22, des Lufteinlassdurchganges 62 und des Kollektors 30 dargestellt genauso wie die Verbindungszusammenstellung zwischen diesen. Das Fluidmischgehäuse 22 weist eine zentrale Bohrung oder Durchgang 66 auf mit einem stromaufwärts gerichteten Einlass 67 und einem stromabwärts gerichteten Auslass 68. Die Bohrung 66 erstreckt sich entlang einer longitudinalen Achse 69. Der Lufteinlassdurchgang 62 und der Kollektor 30 sind am Gehäuse 22 befestigt durch Montageplatten 70 und 71 in entsprechender Weise. Montageplatte 71 weist Gewindelöcher 74 auf, während die Montageplatte 70 und das Fluidmischgehäuse 22 Durchgangslöcher 76 und 80 entsprechend aufweisen. Vier Bolzen 81 (lediglich einer davon ist dargestellt) ragen durch die Löcher 76 und 80 hindurch und werden gewindemäßig in den Gewindelöchern 74 aufgenommen. Auf diese Art wird das Gehäuse 22 sicher in der Position zwischen dem Luftdurchgang 62 und dem Kollektor 30 gehalten.
Das EGR Rohr 28 ist ebenso mit dem Gehäuse 22 verbunden, wie es im Folgenden detailliert beschrieben wird. Das EGR Rohr 28 erstreckt sich nach oben durch den Durchgang/die Bohrung 66 transversal zu der Achse 69 und wird in der Position gehalten durch die zwei Halbteile des Mischgehäuses 22.
Eine Querschnittsansicht durch das Gehäuse 22, die EGR Ventilvorrichtung 24 und das Rohr 28 ist in 5 dargestellt. Das Mischgehäuse 22 ist vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt, insbesondere Plastik, obwohl andere nichtmetallische Materialien wie Aluminium ebenso benutzt werden können. Die Ventilvorrichtung 24 beinhaltet eine Solenoidanordnung 82, welche fest mit dem Gehäuse 22 verbunden ist. Die Ventilvorrichtung 24 betreibt ein bewegbares Ventilglied 84 zur Steuerung des Abgasstromes von dem Rohr 28 in eine Mischkammer 86 innerhalb des Mischgehäuses 22.
6 zeigt eine vergrößerte geschnittene Darstellung der Solenoidanordnung 82, des Ventilgliedes 84 und des Gehäuses 22. Ein Magnetanker 88 der Solenoidanordnung 82 steht mit dem Ventilglied 84 in Verbindung. Das Ventilglied 84 weist ein stegförmiges Glied 90 und einen konischen oder trichterförmig gestalteten Ventilkopf 92 auf. Der Ventilkopf 92 öffnet und schließt selektiv relativ zu einem Ventilsitz 94, der auf dem Ende eines Rohres 28 ausgebildet ist, um die Verbindung zwischen dem EGR Rohr 28 und der Mischkammer 86 zu öffnen und zu schließen. Die zueinander passende Konfiguration zwischen Ventilkopf 92 und Ventilsitz 94 ist so ausgewählt, um ein Flussprofil zu erhalten, wie ein lineares oder parabolisches Profil, wie es bei der Ventilgestaltung wohl bekannt ist.
Entsprechend 5 wird der größte Anteil der Luft vom Luftreiniger 26 durch die zentrale Bohrung 66 in das Gehäuse 22 passieren. Jedoch wird entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Anteil der einströmenden Luft durch einen im Wesentlichen gekrümmten Kanal oder Durchgang 95 gerichtet. Der Durchgang 95 weist einen stromaufwärts gerichteten Einlasskanal 96 auf und einen stromabwärts gerichteten Auslasskanal 98. Ein Teil des Luftflusses durch das Gehäuse 22 wird abgetrennt durch den Einlasskanal 96 und passiert in Umfangsrichtung durch die Mischkammer 86, wo es mit dem Abgas vom EGR Rohr 28 gemischt wird. Die Abgas/Luftmischung passiert dann ausgehend von der Mischkammer 86 den Auslasskanal 98, wo das Gemisch wieder mit dem Hauptluftstrom vereinigt wird, der durch die zentrale Bohrung 66 hindurchtritt.
Das bevorzugte Mischgehäuse zum Einsatz mit einer solenoidbetriebenen Ventilvorrichtung, insbesondere wenn sie in einem EGR System verwendet wird, ist in der Größe kompakter als herkömmliche Einlassluft-Abgasmischgeräte und mischt zwei Fluide gleichmäßiger. Das Fluidmischgehäuse weist einen idealen Einlasskanal auf, welcher sich in der Querschnittsgröße verringert, welcher einen Teil von einem ersten Fluidfluss abtrennt und diesen zu einer Mischkammer richtet. Die Mischkammer empfängt ebenfalls ein zweites Fluid wie ein Abgas und ist verbunden mit einem Auslasskanal, welcher vorzugsweise seine Querschnittsgröße vergrößert. Der Auslasskanal führt den Teil des ersten Flusses, der nun mit dem zweiten Fluidfluss homogen gemischt ist zu dem ersten Fluidfluss zurück. Der erste Fluidfluss induziert, dass diese gemischten Fluide aus dem Auslasskanal herausgezogen werden. Ein Venturi-Effekt wird in der Mischkammer erzeugt, welcher den Saugdruck von einem Abgaskrümmer zu der Mischkammer erhöht und welcher den Gasfluss in dem System verbessert, ohne dass die Größe eines abgasführenden Kanales vom Abgaskrümmer zum Einlasskrümmer vergrößert werden muss.
Das offenbarte Mischgehäuse reduziert, wenn es als Teil einer EGR Ventilvorrichtung verwendet wird, die Bildung von Verunreinigungen, die sich entlang des Ventilsitzes auf Grund des passierenden Luftstromes anlagern, dessen Geschwindigkeit ansteigt und welcher die Abgasteilchen in einer Suspension hält und somit angesetzte Teilchen wegschwemmt. Dieser Luftstrom dient ebenso zur Abkühlung des Ventilgliedes und reduziert damit den Temperatureintrag in andere Teile der Ventilvorrichtung, wie den Magnetteil. Im Gehäuse wird weiterhin der Venturi-Effekt eingesetzt, um einen zusätzlichen Saugdruck in dem Mischgehäuse zu erzeugen, um den Fluidfluss durch die Mischvorrichtung zu verbessern.
Das Fluidmischgehäuse 22 beinhaltet eine Aufbohrung 100, welche eine interne Schulter 102 ausbildet. Die Solenoidzusammenstellung 82 ist in der Bohrung 100 positioniert. Eine Lagerplatte 104 ist mit einer Presssitzverbindung in der Bohrung 100 angebracht und führt die Hin- und Herbewegung des stegförmigen Gliedes 90 mittels einer Führungsbohrung 106. Die Lagerplatte 104 weist ebenso Zugangslöcher 110 auf, welche eine fluidische Verbindung zwischen der Mischkammer 86 und dem Solenoidaufbau 82 ermöglicht. Die Mischkammer 86 ist allgemein definiert als der Abstand zwischen der Lagerplatte 104 und dem EGR Rohr 28 im Gehäuse 22.
Der Solenoidaufbau 82 beinhaltet weiterhin ein ringförmig ausgebildetes Gehäuse 112 aus magnetischem Stahl oder ähnlichem, welches eine äußere Wand 114 aufweist, eine ringförmige Bodenwand 116 und eine innere Wand 120. Die Bodenwand 116 des Gehäuses 112 ist am Mischgehäuse 22 angebracht durch Befestigungen 122 (von denen lediglich eine gezeigt ist), die in den Gewindelöchern 124 im Mischgehäuse 22 aufgenommen sind.
Der Solenoidaufbau 82 beinhaltet weiterhin eine Spule 130, welche eine Rolle 132 mit geeignetem Kunststoff und einen Draht 134 aus Kupfer oder ähnlichem geeigneten elektrisch leitendem Material beinhaltet. Der Draht 134 ist auf eine Hohlwelle 136 der Rolle 132 zwischen zwei Endplatten 140 und 142 aufgewickelt. Die Rolle 132 passt radial zwischen die äußere Wand 114 und die inner Wand 120 des Gehäuses 112. Die innere Wand 120 erstreckt sich vorzugsweise über die halbe Länge der Hohlwelle 136.
Die Solenoidanordnung 82 weist eine ringförmige Abdeckung 144 auf, welche in das offene obere Ende des Gehäuses 112 eingeschraubt ist. Die ringförmige Abdeckung 144 hat einen anhängenden ringförmigen Flansch 146, welcher konzentrisch in Bezug auf die innere Wand 120 des Gehäuses 112 angeordnet ist. Der Flansch 146 erstreckt sich teilweise bis zur Rolle 132. Die Abdeckung 144 ist aus einem magnetischen Material hergestellt, wie Weicheisen oder ähnliches, so dass die Abdeckung 144 und das Gehäuse 112 als ein Polstück wirken. Wenn die Abdeckung 144 am Gehäuse 112 angebracht wird, so ist das untere Ende des anhängenden Flansches 146 in der Nähe des oberen Ende des Ankers 88 positioniert und beabstandet von dem oberen Ende der inneren Wand 120, so dass der Anker 88 in das Polstück hinaufgezogen wird, wenn die Spule 130 unter Strom gesetzt wird.
Der Anker 88 ist aus einem magnetischen Material hergestellt und innerhalb der Spule 130 und innerhalb der inneren Wand 120 positioniert. Der Anker 88 weist einen hohlzylindrischen Körper 150 auf und eine Bodenwand 152, welche eine Gewindebohrung 154 besitzt. Das Hohlventilglied 84 besitzt ein oberes Ende welches an dem Anker 88 angebracht ist und ein konisch zulaufendes unteres Ende bildet den Ventilkopf 92. Das Ventilglied 84 kann in irgendeiner geeigneten Weise an dem Anker 88 angebracht sein, wie durch eine Verschraubung in der Gewindebohrung, wie es in den 5 und 6 dargestellt ist. Der konisch zulaufende Ventilkopf 92 ist so positioniert und ausgelegt, um mit dem Ventilsitz 94 zusammenzuwirken, um das gewünschte Durchflussprofil zu erzeugen, wenn das Ventilglied 84 geöffnet wird.
Die inneren Durchmesser der inneren Wand 120 und des anhängenden Flansches 146 sind im Wesentlichen identisch und größer als der äußere Durchmesser des Ankers 88, um einen ringförmigen Luftspalt 160 dazwischen zu bewirken. Der Luftspalt 160 ermöglicht die Vergleichmäßigung des Druckes innerhalb der Solenoidanordnung 82 und der Mischkammer 86 über die Zugriffslöcher 110. Dieser Druckausgleich wird verbessert durch die Bereitstellung einer Vielzahl von longitudinalen Nuten 162, um den Umfang der äußeren Oberfläche des zylindrischen Körpers 150 des Ankers 88.
Die Solenoidanordnung 82 beinhaltet weiterhin einen Hohlschaft 164, der sich von der mit Gewinde versehenen Kappe 166 erstreckt, welche in die ringförmige Abdeckung 144 eingeschraubt ist. Das untere Ende des Hohlschaftes 164 ist geschlossen und eingesetzt innerhalb des oberen Endes des Hohlankers 88 mit einer engen, gleitenden Passung, die dazwischen vorhanden ist. Auf diese Art und Weise kann sich der Hohlanker 88 auf dem Schaft 164 hin- und herbewegen und bildet eine ausdehnbare Vorrichtung, welche eine abgedichtete Kammer 168 beinhaltet, welche fluidmäßig mit der Mischkammer 86 über eine Öffnung 169 in der Bodenwand 152 verbunden ist, welche wiederum mit dem Hohlventilglied 84 verbunden ist. Dies ermöglicht den Ausgleich von Kräften, die durch das Abgas erzeugt werden, um auf die Bewegungskombination des Ventilgliedes 84 und des Ankers 88 zu wirken, wie es im Folgenden genauer beschrieben wird.
Die Solenoidanordnung 82 beinhaltet auch eine Rückstellfeder in der Form einer Spiralfeder 170, welche den Schaft 164 umgibt. Die Feder 170 wirkt mit dem oberen Ende des Ankers 88 zusammen und erzeugt eine Kraft am Anker 88, die nach unten hin weggerichtet von der Gewindekappe 166 wirkt, und in Richtung auf das Gehäuse 22.
Die Maschinensteuerung 50 steuert den Strom, welcher der Spule 130 der Solenoidanordnung 82 entsprechend einem Programm zugeführt wird, so dass der Anker 88 sich in dem Hohlschaft 164 hin- und herbewegt und den Ventilkopf 92 des Ventilgliedes 84 hin und zurück in Richtung auf den Ventilsitz 94 bewegt. Wenn die Spule 130 unter Strom steht, wird der Anker 88 vertikal relativ zur Spule 130 gegen die Kraft der Spiralfeder 170 angezogen und somit wird das Ventilglied 84 von dem Ventilsitz 94 weggezogen. Dies baut eine Fluidverbindung zwischen dem EGR Rohr 28 und der Mischkammer 86 auf, so dass das Abgas in die Mischkammer 86 fließen kann und sich mit der Luft in der Kammer 86 mischen kann.
Wenn die Spule 130 nicht erregt ist, so liegt der Ventilkopf 92 des Ventilgliedes 84 dichtend gegen den Ventilsitz 94 unter Wirkung der Spiralfeder 170, womit der Fluss des Abgases durch den Ventilsitz 94 blockiert wird. In dieser geschlossenen Position kann das Abgas nicht in die Mischkammer 86 fließen. Das Abgas steht jedoch in Verbindung mit dem abgedichteten Raum 168 der expandierbaren Vorrichtung über das Hohlventilglied 84 mit dem Druckausgleichsventilglied 84 und dem Anker 88 in der geschlossenen Position.
Wie aus den 5 und 10A hervorgeht, weist die Kombination des Ventilgliedes 84 und des Ankers 88 zahlreiche ringförmige Oberflächen auf, welche durch vertikal wirkende Druckkräfte angedrückt werden. Diese ringförmigen Oberflächen beinhalten innere und äußere Trichteroberflächen 172 und 174, innere Ankeroberfläche 176, Bodenankeroberfläche 180 und obere Ankeroberfläche 182.
In der geschlossenen Position baut der Abgasdruck, der gegen die ringförmige Fläche 176 wirkt, eine abwärtsgerichtete Schließkraft auf, während der Abgasdruck gegen die innere O berfläche 172 des Ventilkopfes 92 drückt und eine nach oben gerichtete Öffnungskraft bewirkt. Ein genaues Druckgleichgewicht kann durch die Einstellung der Größe der horizontal verlängerten Bereiche der Oberflächen 172 und 176 zur Erzeugung von aufwärts und abwärts gerichteten Kräften erzielt werden, die gleich und gegeneinander gerichtet sind. Alternativ kann es wünschenswert sein, das vorgespannte Ventilglied 84 und den Anker 88 geringfügig in eine geschlossene Position zu drücken, für den Fall, dass die Rückholfeder 170 zu Bruch geht.
Dieses Druckgleichgewicht ermöglicht den Einsatz einer leichteren Spiralfeder 170, da die Feder nicht gegen durch Abgasdruck induzierte Kräfte, die das Ventilglied 84 öffnen, entgegenwirken muss. Je leichter die Spiralfeder 170 ist, desto geringer wird auch die elektromotorische Kraft, die durch eine Solenoidanordnung 82 zur Bewegung des Ankers 88 erzeugt werden muss und um die Öffnung des Ventilgliedes 84 gegen die Kraft der Feder 170 zu bewirken. Da die Anforderungen an die elektromotorische Kraft reduziert sind, kann eine kleinere und leichtere Solenoidanordnung verwendet werden. Weiterhin kann ein niedrigerer Betriebsstrom zur Erregung der Spule 134 eingesetzt werden.
Das Ventilglied 84 ist ebenso vorzugsweise druckausgeglichen auf der Vakuumseite in sowohl der geschlossenen als auch in der offenen Position. In einer geschlossenen Position liegt ein relativ zum umgebenden Luftdruck negativer Druck in der Mischkammer 86 vor. Der negative Druck wirkt auf die äußere Oberfläche 174 des Ventilkopfes 92 und erzeugt eine nach oben gerichtete Ventilöffnungskraft. Jedoch liegen Mischkammer 86 und das Äußere des Ankers 88 ebenso auf einem im Wesentlichen negativen Druck auf Grund der Zugriffslöcher 110 in der Lagerplatte 104, wodurch die Verbindung zwischen dem Anker 88 und der Mischkammer 86 eingerichtet ist. Somit wirkt der negative Druck auf die ringförmige Bodenoberfläche 180 des Ankers 88 und erzeugt eine Ventilschließkraft. Zur gleichen Zeit wirkt der Vakuumdruck in der Solenoidanordnung 82 auf die ringförmige obere Oberfläche 182 des Ankers 88 und erzeugt eine Ventilschließkraft. Ein genauer negativer Druckausgleich kann durch die Ausbildung in der Größe der Bereiche von Oberflächen 174, 180 und 182 erreicht werden, um eine relativ ausgeglichene Ventilschließkraft zu erzeugen.
10A zeigt deutlicher die Kräfte, die wirken, um das Ventilglied 84 und den Anker 88 zwischen der offenen und der geschlossenen Position zu bewegen. Sich ergebende Kräfte, die auf die verlängerten Oberflächen auf Grund des positiven relativen Druckes wirken, werden mit F_PP (positive Druckkraft) bezeichnet. Ähnlich werden relativ negative Kräfte, die an erweiterten horizontalen Oberflächen ziehen mit F_NP (negative Druckkraft) markiert. Die positive Kraft F_PP, die auf eine ringförmige Oberfläche 172 wirkt, gleicht die positive Kraft F_PP aus, die auf eine ringförmige Oberfläche 176 wirkt. Unabhängig voneinander werden negative Kräfte F_NP, die auf Oberflächen 174 und 182 wirken, ins Gleichgewicht gebracht durch die nach unten gerichtete Kraft F_NP auf eine ringförmige Oberfläche 180. Ohne die Größe der negativen oder positiven Kräfte zu beachten, werden der Anker 88 und das Ventilglied 84 nicht dazu veranlasst, das Ventil zu öffnen oder zu schließen. Die kleine Federkraft F_SP, die durch die Feder 170 nach unten auf eine ringförmige Oberfläche 182 ausgeübt wird, ist ausreichend, um das Ventilglied 84 geschlossen zu halten. Wiederum ist lediglich eine kleine elektromotorische Kraft notwendig, um die Federkraft F_SP zu überwinden, um das Ventilglied 84 von dem Ventilsitz 94 abzuheben.
In dieser Betrachtung muss, wenn der positive Druck des Abgases und der negative Druck des Vakuums von der Mischkammer 86 an dem Ventilglied 84 und dem Anker 88 jeweils genau ausgeglichen ist, die Feder 170 lediglich ausreichend stark sein, um das Ventilglied 84 bei vorhandenen Schwingungen, die während des Betriebes des Fahrzeuges auftreten, in dem die Ventilvorrichtung 24 eingebaut ist, geschlossen zu halten. Mit einer derartigen Feder können die Anforderungen an die Größe und das Gewicht der Solenoidanordnung 82 und/oder des Betriebsstromes wesentlich reduziert werden.
Die Ventilvorrichtung 24 beinhaltet ebenfalls vorzugsweise einen Typ von nicht kontaktierendem Feldsensor 184, wie einen Halleffekt-Sensor, dargestellt in 5, um die Position des Ankers 88 und des Ventilgliedes 84 anzuzeigen. Der Feldsensor 184, der in dem oberen Ende der Schraubkappe 166 durch einen Kunststoffzapfen 185 oder ähnliches eingehäust ist, detektiert die magnetische Flussdichte, die durch die Solenoidspule 130 induziert wird und welche konvertiert wird in Bewegung des Ankers 88 und bestimmt die genaue Position des Ankers 88 und des Ventilgliedes 84. Diese genaue Positionsmessung wird verwendet, um den Hub des Ankers 88 und die Öffnung zwischen dem Ventilglied 84 und dem Ventilsitz 94 zu steuern. Da die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, um Abgas mit Frischluft zu kombinieren, was durch die Mischkammer 86 strömt, und das Gasgemisch in den Einlasskrümmer 31 mit höherer Genauigkeit als bei einem herkömmlichen EGR Ventil einzuführen. Dies wiederum ergibt eine Emissionsverminderung und einen höheren Wirkungsgrad beim Brennstoffverbrauch. Ein anderer Vorteil der Verwendung des Halleffekt Feldsensors 184 besteht darin, dass der Sensor leicht innerhalb der Solenoidanordnung 82 eingepasst werden kann, um eine kompakte, leichte, integrale Einheit zu erhalten. Die Kalibrierung des Feldsensors 184 wird später unter Bezug auf die 12 und 13 beschrieben.
Mit erneutem Bezug auf 5 werden die Einzelheiten und Merkmale des bevorzugten Mischgehäuses 22 nun betrachtet. Das Gehäuse 22 beinhaltet eine erste und eine zweite Halbschale 200, 202, welche vorzugsweise aus einem gespritzten Kunststoff hergestellt sind, wie ein glasfaserverstärktes Nylon. Andere Materialien wie Aluminium können jedoch ebenso verwendet werden. Diese Auswahl ist teilweise abhängig von der EGR Gastemperatur. Weiterhin kann das Gehäuse 22 eher in andere Richtungen aufgespalten sein als lateral, wie dargestellt.
Wie oben beschrieben, sind die erste und die zweite Halbschale 200, 202 ausgestattet mit Löchern 80 zur Aufnahme von Bolzen 82. Ein Endteil des EGR Rohres 28 erstreckt sich in das Mischgehäuse 22 und wirkt zusammen mit der EGR Ventilvorrichtung 24, um selektiv den Eingang des Abgases in das Mischgehäuse 22 zu steuern. Die erste und die zweite Halbschale 200, 202 weisen entsprechende Nuten/Leitschienen 204 und 206 auf, welche um das Rohr 28 an dem Punkt aufgebracht sind, wo das Rohr 28 in das Gehäuse 22 eintritt. Ein Anschlussendteil 210 des Rohres 28 ist durch gekrümmte Dichtteile 212, 214 der ersten und zweiten Halbschale 200, 202 aufgespannt. Ebenso sind gekrümmte Hohlräume 222 und 224 im Gehäuse 22 ausgeformt, welche eine Senkbohrung 100, eine Senkbohrung 97 und eine Mischkammer 86 bestimmen.
Der Einlasskanal 96 und der Auslasskanal 98 sind in der entsprechenden ersten und zweiten Halbschale 200 und 202 ausgebildet. Die Querschnittsgröße und die Gestalt der Kanäle 96 und 98 entlang ihrer Länge ist in den 7A–G dargestellt. Der Einlasskanal 96 weist eine umfangsseitig ausgedehntes offenes Segment 234 (5) mit Einlassöffnungen 235 (7A) auf, welche sich allgemein flußaufwärts in den axialen Fluss der Frischluft von dem Lufteinlassdurchgang 62 öffnet. Im Gegensatz dazu hat der Auslasskanal 98 ein sich umfangsseitig erstreckendes Auslasssegment 234 (5) mit einer Auslassöffnung 237 (7G), die sich stromabwärts in der Richtung des Luftstromes zum Einlassventil 34 öffnet. Wie in den 5, 7C, 7D und 7E dargestellt, weisen der Einlass- und der Auslasskanal 96 und 98 ebenso entsprechende geschlossene Segmente 240 und 242 in der Nähe der Mischkammer 86 auf.
Wird in das Gehäuse 22 in 5 als Uhrenrahmen angesehen und werden die Querschnitte, wie sie in den 7A–G gezeigt werden in Betracht gezogen, so erstrecken sich die offenen Segmente 234 und 236 regelmäßig im Uhrzeigersinn angenähert zwischen der 7:30 und der 11:30 Positionen und die 12:30 und 4:30 Positionen in entsprechender Weise. Geschlossene Segmente 240 und 242 erstrecken sich zusammen mit der Mischkammer 86 bezogen auf den Umfang zwischen der 11:30 und der 12:30 Positionen.
Weiträumig betrachtet wird ein Teil des Luftstromes von dem Luftdurchgang 66 durch den Einlasskanal 96 abgefangen und in Umfangsrichtung rechtsdrehend abgesaugt zu dem Auslasskanal 98, wo die abgefangene Luft mit dem Hauptluftstrom zusammengeführt wird, der durch die Hauptbohrung 66 zu dem Kollektor 30 geleitet wird. Abgas vom EGR Rohr 28 wird in die Mischkammer 86 eingeleitet und mit der Luft, die durch den Einlasskanal 96 abgezweigt ist, gemischt. Die Mischung des Abgases mit der Luft wird dann über den Auslasskanal 98 ausgetragen. Somit dient der gekrümmte Kanal 95, welcher den Einlasskanal 96, die Mischkammer 86 und den Auslasskanal 98 enthält, als ein allgemein gekrümmter Mischbypass im Gehäuse 22.
Wie oben erwähnt sind die Querschnittsansichten durch Einlass- und Auslasskanäle 96 und 98 in den 7A–G dargestellt. Der Einlasskanal 96 wird bestimmt durch eine Einlassklappe 250, ein Stromabwärts-Teil 252, ein äußeres Wandteil 254 und ein Stromaufwärts-Teil 256 (siehe 7A). Die Einlassklappe 250 erstreckt sich axial stromaufwärts und radial nach innen von dem Stromabwärts-Teil 252. Das Stromaufwärts-Teil 256 beinhaltet ebenfalls eine spitz zulaufende Wand 257, die sich radial nach innen erstreckt. Die Einlassöffnung 235 wird zwischen der Einlassklappe 250 und dem Stromaufwärts-Teil 256 ausgebildet.
Der Auslasskanal 98 weist eine äußere Klappe 262 auf, ein Stromaufwärts-Teil 264, ein äußeres Wandteil 266 und ein Stromabwärts-Teil 268 (siehe 7G). Die Auslassklappe 262 erstreckt sich axial stromabwärts und radial nach innen von dem Stromaufwärts-Teil 264 und das Stromaufwärts-Teil 264 und das Stromabwärts-Teil 268 erstrecken sich radial nach innen von dem äußeren Wandteil 266 und definieren die Auslassöffnung 237 dazwischen.
Sowohl der Einlass- als auch der Auslasskanal 96 und 98 können entlang ihrer umfangsmäßigen Länge variierende Querschnittsbereiche aufweisen. In 7A weist die Einlassöffnung 235 einen maximalen Querschnittsbereich auf. Wie in den 7A und 7B dargestellt, verringert sich die Einlassöffnung 235 in ihrer Größe, da der Einlasskanal 96 sich rechtsdrehend umfangsmäßig in Richtung auf die Mischkammer 86 erstreckt. Der Querschnittsbereich, der durch den Einlasskanal 96 beschränkt ist, verkleinert sich wie der Einlasskanal 96 ebenfalls und erstreckt sich umfangsmäßig rechtsdrehend.
Ungefähr bei der 11:30 Position und wie es in 7C gezeigt ist wird die Einlassklappe 250 mit dem Flussaufwärtsteil 256 verbunden, derart, dass der Einlasskanal 96 ein eher geschlossener als geöffneter Kanal ist und damit den Übergang zwischen geöffneten und geschlossenen Segmenten 234 und 240 definiert. Es ist anzumerken, dass die Querschnittsgröße des Einlasskanales 96 im Wesentlichen kleiner ist als des Auslasskanales 98, der in direkter Nachbarschaft zu der Mischkammer 86 liegt (wie es durch den Vergleich der 7D und 7E gezeigt wird). Ebenso verengt sich der Einlasskanal 96 im Querschnitt vom Anfang bis zum Ende so wie in den 7B, 7C und 7D angezeigt wird.
Die Mischkammer 86 verbindet das geschlossene Segment 240 des Einlasskanales 96 mit dem geschlossenen Segment 242 des Auslasskanales 98. Im Idealfall ist der minimale Querschnittsdurchflussbereich in der Mischkammer, der mit dem Ventilglied 84 vorliegt, kleiner als der des Einlasskanales in der Zone 7D-7D. Das geschlossene Segment 242 des Auslasskanales 98 wird in 7E ungefähr bei der 12:30 Position dargestellt. Da der Auslasskanal 98 rechtsdrehend weitergeführt ist, er streckt sich die Auslassklappe 262 anwachsend in radialer Richtung innerhalb, womit die Größe der Auslassöffnung 237 anwächst, wie es sequentiell in den 7E–7G dargestellt ist. Der durch den Auslasskanal 98 zusammengefasste Bereich wächst an, da der Auslasskanal 98 sich in Umfangsrichtung rechtsdrehend erstreckt.
Im Betrieb fließt der Luftstrom stromabwärts von dem Luftdurchgang 62 durch das Gehäuse 22 und zu dem Kollektor 30. Ein Teil des Luftstromes wird abgefangen durch die Einlassklappe 250, welche die abgefangene Luft rechtsdrehend in Umfangsrichtung durch den Einlasskanal 96 trichtert. Da die Querschnittsgröße des Einlasskanales 96 in Richtung des Uhrzeigersinnes abnimmt, nimmt auch der Druck ab und die Geschwindigkeit der eingefangenen Luft steigt am geschlossenen Segment 240 in der Nähe der Mischkammer 86 an. Wenn das Ventilglied in der offenen Position steht, so ist der Querschnittsbereich der Mischkammer kleiner als der Querschnittsbereich des benachbarten Einlasskanales. Somit ist die Luftgeschwindigkeit bei einem Maximum, wenn sie durch die Mischkammer 86 hindurchtritt. Entsprechend erzeugt bei offenem Ventilglied 84 die hohe Geschwindigkeit der eingefangenen Luft, die durch das Rohr 28 strömt, in der Mischkammer 86 einen Venturi-Effekt, welcher bewirkt, dass das Abgas in die Mischkammer 86 gezogen wird.
Die Mischung des Abgases und der abgezweigten Luft verlässt die Mischkammer 86 über das geschlossene Segment 242 des Auslasskanales 98. Das Abgas/Luftgemisch wandert zu dem offenen Segment 236 und entweicht stromabwärts über die Auslassöffnung 237. Da der Auslasskanal 98 geöffnet wird und in Umfangsrichtung rechtsdrehend größer wird, wird die Geschwindigkeit der Mischung aus Abgas und abgezweigter Luft sich verringern. Der schnelle Fluss des Hauptluftstromes, der durch die zentrale Bohrung 66 des Gehäuses 22 über die Auslassöffnung 237 fließt, erzeugt einen zweiten Venturi-Effekt, der das Abgas/Luftgemisch von der Mischkammer 86 durch den Auslasskanal 98 zieht und zurück in den Hauptluftstrom, der in den Kollektor 30 strömt. Das Zusammenwirken zwischen der Luft und dem Abgas ergibt für das Abgas, dass es vollkommen mit der Einlassluft gemischt ist und die Partikel in dem Abgas verwirbeln und bleiben in fluidischer Suspension.
Die obige Anordnung und die Verwendung des Mischgehäuses 22 weisen zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen EGR und anderen Fluidmischsystemen auf. Zunächst ist das Gehäuse 22 kompakt und leicht und mischt wirksam zwei getrennte Fluide, beispielsweise Abgas und Luft in einem knappen Bereich. Als nächstes zieht, wenn die Ventilvorrichtung 24 geöffnet ist, der niedrige Druck in der Mischkammer 86 die zwei Fluide in die Mischkammer 86 und erhöht den Abgasfluidstrom durch das Mischgehäuse 22 im Vergleich zu dem Abgasstrom, der lediglich auf Grund des Druckes des Abgases vorhanden wäre. Weiterhin wird der Aufbau von Verschmutzungen am Ventilsitz 94 des Ventilgliedes 84 vermindert und die Lagerplatte 104 wird auf Grund der hohen Geschwindigkeit des reinigenden Luftstromes, der in Umfangsrichtung entlang strömt, reduziert. Schließlich kühlt der Hochgeschwindigkeitsfluidstrom durch das Mischgehäuse 22 das Ventilglied 84 und den verbundenen Schaft 90 ebenso herunter, wodurch der Wärmetransport in die Solenoidanordnung 82 vermindert wird.
Die Diagramme in den 12A–E beziehen sich auf den Kalibrierungsprozess des Feldsensors 184 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Der Feldsensor 184 ist in der bevorzugten Ausgestaltung ein linearer Quotientenhalleffektsensor wie die Modelle 3506, 3507 oder 3508, die unter der Handelsmarke Allegro vertrieben werden von Microsystems, Inc. Of Worchester, Massachusetts. Alternativ kann ein GMR (Giant Magnet Resistive) Sensor eingesetzt werden, wie das Modell NVS5B100, verfügbar von der Firma Non-Volatile Electronics, Inc. Of Eden Prairie, Minnesota. Wie in 12A erkennbar, erzeugt der Feldsensor 184 eine Ausgangsspannung, die halb so groß ist wie die Eingangsspannung des Feldsensors 184 bei Ab wesenheit von irgendeinem Magnetfluss, was in diesem beispielhaften Fall eine Spannung von 2,5 V bei 5 V Eingang ausmacht.
Das Diagramm 270 der 12A stellt die Ausgangsspannung des Feldsensors 184 auf Grund des Magnetflusses, resultierend aus dem Stromfluss durch die Spule 130 dar. Bei etwa 0,25 Ampere beginnt sich das Ventilglied 84 zu öffnen, indem es die Vorspannung der Feder 170 überwindet. Da der Strom durch die Spule 130 anwächst und da der Magnetanker 88 sich dem Feldsensor 184 stark annähert, wird die Stärke des Magnetfeldes um den Feldsensor 184 anwachsen und entsprechendes geschieht mit der Ausgangsspannung, die durch den Feldsensor 184 erzeugt wird.
Damit ist voraussehbar, dass das Ventilglied 84 und der Magnetanker 88 fest geschlossen oder trotz des Stromflusses durch die Spule 130 geöffnet sein können. Die 12B beschreibt die Ausgangsspannung, Kurvenverlauf 272 des Feldsensors 184 entsprechend dem Stromfluss durch die Spule 130 über den normalen Betriebsstrombereich, während das Ventilglied 84 in einer geschlossenen Position gehalten wird. Es ist wünschenswert, dass eine Ausgangsspannung erzeugt werden wird und auf die Maschinensteuerung 50 aufgelegt wird, wodurch die Position des Ventilgliedes 84 angezeigt wird und diese nicht abhängig von dem Stromfluss durch die Spule 130 ist.
Bei der Bemühung, die Auswirkung des Stromflusses durch die Spule 130 auf das Magnetfeld in der Nähe des Feldsensors 184 auszuschließen, wird diese durch spulenstrominduzierte Ausgangsspannung entsprechend Kurve 272 von der insgesamten Ausgangsspannungskurve 270 abgezogen. Vorzugsweise wird ein 1,0 Ohm Widerstand (nicht dargestellt) in Serie mit der Spule 130 geschaltet. Bei der Bewertung der Spannung über diesen Widerstand werden der korrespondierende Strom durch den Widerstand und die Spule 130 bestimmt. Die Kurve 274 in 12C beschreibt die Spannung am Widerstand gegen den Spulenstrom.
Diese Ausgangsspannung wird dann verstärkt durch eine Zusatzsteuerschaltung (dargestellt in 13), um eine Ausgangsspannung gegen eine Stromkurve 276 mit der gleichen Neigung wie die Kurve 272 in 12B zu erzeugen. Diese Spannung wird dann versetzt um 2,5 V, so dass die Spannungskurve 272', wie sie in 12D beschrieben ist, erzeugt wird, die allgemein identisch ist mit der Kurve 272 der 12B. Die Spannungsdifferenz zwischen den Kurven 270 und 272' wird dann durch die Steuerschaltung 280 verstärkt, um optimal eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 5 V über dem Betriebsspannungsbereich der Solenoidanordnung 82 zu ergeben. Diese verstärkte Spannung wird dann gegen die Versetzung des Ventilgliedes 84 kalibriert unter Verwendung eines LVDT (Linear Variabel Displacement Transducer), um die Kurve 278 der 12E zu erzeugen. Alternativ könnte der Durchfluss durch die Ventilanordnung 24 bei einem statischen Druck gegen diese Ausgangsspannung 278 unter Verwendung eines Durchflussmessers kalibriert werden.
Die Steuerschaltung 280, wie sie schematisch in 13 dargestellt ist, ist auf eine (nicht dargestellten) Leiterplatte in dem Fahrzeug aufgebracht. Die Ausgangsspannung des Feldsensors 184 wird dieser Steuerschaltung 280 zugeführt. In ähnlicher Weise wird die über den Widerstand abfallende Spannung an die Steuerschaltung 280 überführt, wo diese Spannung verstärkt und versetzt wird, wie es in 12D beschrieben ist. Die Differenzen dieser Spannungen werden entsprechend 12E verstärkt, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die an die Maschinensteuerung 50 geliefert wird. Diese Spannung ist repräsentativ für die Position des Ventilgliedes 84. Die Fahrzeugmotorsteuerung 50 steuert dann den Strom in die Solenoidanordnung 82, um den Anker 88 anzusteuern und die Freigabe des Abgases in das Mischgehäuse 22. Herkömmliche elektronische Elemente werden bei dieser Laserabstimmung von Widerständen auf der Steuerschaltung 280 zur Kalibrierung der Steuerschaltung 280 verwendet. Diese Laserabstimmung und Kalibrierung geschieht während des Einbaues der Ventilvorrich tung 24. Weiterhin gleicht dieses Kalibrierungsverfahren Fehler auf Grund von vorhandenen, aber nicht nur solchen, Toleranzen von Bauelementen wie des Gehäuses 112, des Ventilgliedes 84, usw. aus.
Eine Alternative zur Verwendung eines Halleffektfeldsensors ist ein Induktionsfeldsensor 282, der anstelle des Feldsensors 184 eingesetzt werden kann. Positionssensoren vom Induktionstyp sind allgemein bekannt. Unter Bezug auf 14 weist der Induktionssensor 282 erste und zweite Spulen 284 und 286 auf, die auf einer Stützplatte 288 befestigt sind. Die Stützplatte 288 ist innerhalb einer Kappe 166 an der Stelle des Feldsensors 184 befestigt. Das obere Ende des Ankers 88 ist allgemein mit einer ersten Spule 284 ausgerichtet, wenn das Ventilglied 84 sind in einer geschlossenen Position befindet. Da der Anker 88 von der zweiten Spule 286 beabstandet ist, wird nur eine geringe Induktivität in der zweiten Spule 286 erzeugt. Wenn die Spule 130 erregt wird, werden jedoch der Anker 88 und das Ventilglied 84 in Richtung auf die Kappe 166 und den Feldsensor 282 bewegt. Zunächst induziert die Spule 284 einen Strom in den Anker 88, welcher folglich einen Strom in der zweiten Spule 286 induziert. Der Strom oder die Frequenz in der zweiten Spule 286 zeigt den relativen Versatz des Ankers 88 von seiner Stellung bei geschlossenem Zustand an.
Die Anpassungsschaltung wird erneut dazu verwendet, um die Bedingungen der Ausgangsspannung des Induktionssensors 282 gegen entweder den Versatz oder den Fluss anzuzeigen, um eine angepasste Ausgangsspannung zu erzeugen. Diese Ausgangsspannung kann angepasst sein, um einen Spannungsausgang vom Motorhersteller gegen einen Ventilgliedversatz oder eine Durchflussangabe auszugeben. Der Induktionssensor 282 und die Anpassungsschaltung werden dann in Verbindung mit der Motorsteuerung 50 platziert.
8 zeigt eine Abgasrezirkulations-Ventilvorrichtung 300 oder ein Fluidflussventil. In dieser Ausgestaltung wird ein metallischer Faltenbalg 302 verwendet, um einen Anker 304 in eine geschlossene Position vorzuspannen. Der metallische Faltenbalg 302 wird ebenso Teil einer „expandierbaren" Vorrichtung die eine expandierbare Dichtkammer 306 beinhaltet, welche zur Einstellung des Gleichgewichtes der Abgasdruckkräfte verwendet wird, die auf den Anker 304 und das Ventilglied 310 wirken.
Insbesondere umfasst die EGR Ventilvorrichtung 300 eher einen Ventilkörper 312, als das Fluidmischgehäuse 22 der ersten Ausgestaltung. Eine Solenoidzusammenstellung 314 ist auf dem Ventilkörper 312 zum Betrieb des bewegbaren Ventilgliedes 310 befestigt und steuert den Fluss durch den Ventilkörper 312. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass durch den Fachmann eine solche Solenoidanordnung 314 genau angepasst werden kann, so dass sie in Verbindung mit einem Mischgehäuse funktioniert.
Der Ventilkörper 312 beinhaltet einen Einlassdurchgang 316 und einen Auslassdurchgang 317, welche in Verbindung stehen mit einer zentralen Kammer 318 innerhalb des Ventilkörpers 312. Der Einlassdurchgang 316 beinhaltet eine Öffnung 320 und einen Ventilsitz 322. Das Ventilglied 310 wirkt mit dem Ventilsitz 322 zusammen, um den Fluss durch den Einlassdurchgang 316 in die zentrale Kammer 318 zu blockieren. Bei der Erregung der Solenoidanordnung 314 wird das Ventilglied 310 vom Ventilsitz 322 wegbewegt, so dass das Fluid durch die Öffnung 320 in die zentrale Kammer 318 fließen kann.
Ein Stützglied 324 sitzt auf einem verlängerten oberen Teil des Ventilkörpers 312. Das Stützglied 324 führt die Hin- und Herbewegung des Ventilgliedes 310 mittels einer zentralen Bohrung 326. Die zentrale Bohrung 326 weist longitudinale Nuten 328 auf, um eine fluidische Verbindung zwischen der zentralen Kammer 318 und der Solenoidanordnung 314 zu ermögli chen. Das Stützglied 324 ist ortsfest aufgeklemmt, wenn die Solenoidanordnung 314 an dem Ventilkörper 312 über Befestigungselemente 330, von denen nur eines dargestellt ist, angebracht wird.
Die Solenoidanordnung 314 umfasst ein becherförmiges Gehäuse 332, welches eine ringförmige Bodenwand 334 und eine integrale zylindrische innere Wand 336 mit kreisförmiger Gestalt aufweist. Eine Spule 340 ist im Gehäuse 332 untergebracht. Eine ringförmige Abdeckung 342 ist in das obere Ende des Gehäuses 332 eingeschraubt. Die ringförmige Abdeckung 342 weist einen anhängenden ringförmigen Flansch 344 auf, welcher konzentrisch mit der inneren Wand 336 befestigt ist. Der anhängende Flansch 344 erstreckt sich teilweise in die Spule 340 hinein und weist eine äußere konische Oberfläche auf, um die Zusammenstellung zu vereinfachen. Die Abdeckung 342 ist aus einem magnetischen Material wie einem Weicheisen oder Ähnlichem hergestellt, so dass die Abdeckung 342 und der anhängende Flansch 344 als ein Polstück wirken.
Die Solenoidanordnung 314 weist weiterhin einen Anker 304 auf, der aus magnetischem Material hergestellt ist und innerhalb der Innenwand 336 des Gehäuses 332 platziert ist. Der Anker 304 ist mit einem hohlzylindrischen Körper 346, mit einer zentralen Bohrung 350 und zwei Senkbohrungen 352 und 354 ausgestattet. Das Ventilglied 310 beinhaltet ein Hohlrohr 356, welches ein zylindrisches oberes Ende 358 aufweist und einen vergrößerten Ventilkopf 360 an seinem unteren Ende. Das zylindrische obere Ende 358 ist in die innere Senkbohrung 352 des Ankers 304 eingepresst, um mit dem Ventilglied 310 des Ankers 304 befestigt zu sein. Der vergrößerte Ventilkopf 360 wirkt mit dem Ventilsitz 322 zusammen, um die Ventilvorrichtung 300 zu schließen.
Die Solenoidanordnung 314 enthält eine vergrößerbare Vorrichtung mit Metallbälgen 302, welche in dem Gehäuse 332 untergebracht ist, so dass ein Ende dichtend mit einer Schraubkappe 362 zusammenwirkt, welche an das Gehäuse 332 über die ringförmige Abdeckung 342 angeschraubt ist. Das untere Ende der Metallbälge 302 wirkt dichtend zusammen mit dem oberen Ende des Hohlankers 304. Somit bilden die Metallbälge 302 eine expandierbare gedichtete Kammer 306 für die Expansionsvorrichtung, die fluidisch mit dem Einlassdurchgang 316 des Ventilkörpers über die Bohrung des Ankers 304 und das Hohlventilglied 310 verbunden ist. Die Metallbälge 302 wirken ebenso als eine Rückholfeder, welche den Anker 304 vorspannt, und zwar weg von der Abdeckung 362 in Richtung auf den Ventilkörper 312.
Die Ventilvorrichtung 300, wie sie in 8 dargestellt ist beinhaltet in einem Abgasrückführungssystem des Types, wie in 3 dargestellt, durch Verbindung des Auslassdurchgangs 317 mit dem Kollektor 30, wobei der Ventilkörper 312 das Fluidmischgehäuse 22 ersetzt. Der Ventilkörper 312 ist an dem Abgaskrümmer 38 angeschraubt mittels einer Abgasleitung (nicht dargestellt). An dem Ventilkörper 312 sind Gewinde 363 ausgebildet, so dass die Ventilvorrichtung 300 an die Abgasleitung angebracht werden kann. Wenn sie befestigt ist, wird die Solenoidanordnung 314 elektrisch mit der Motorsteuerung 50 verbunden, in ähnlicher Weise wie es schematisch in 3 dargestellt wird.
Die Motorsteuerung 50 steuert den Strom, der der Spule 340 der Solenoidanordnung 314 programmiert zugeführt wird, so dass der Anker 304 sich in dem Gehäuse 332 hin- und herbewegt und dabei das Ventilglied 310 in Richtung auf und weg von dem Ventilsitz 332 bewegt. Im erregten Zustand zieht die Spule 340 den Anker 304 weiter hinauf in die Spule 340 gegen die Kraft der einfallenden Metallbälge 302, wodurch der Ventilkopf 360 des Ventilgliedes 310 von dem Ventilsitz 322 weg bewegt wird. Dies baut eine Verbindung von dem Einlassdurchgang 316 zu der zentralen Kammer 318 auf, so dass Abgas durch die Ventilvorrichtung 300 fließen kann und zurück zu dem Einlasskrümmer 31.
Wenn die Spule 340 nicht im erregten Zustand ist, so sitzt der Ventilkopf 360 des Hohlventilgliedes 310 durch die Federwirkung der expandierenden Metallbälge 302 gegen den Ventilsitz an, womit der Fluss des Abgases zum Ventilsitz 322 blockiert wird. In dieser geschlossenen Position kann das Abgas nicht in die zentrale Kammer 318 fließen. Jedoch steht das. Abgas in Verbindung mit der expandierbaren Kammer 306 innerhalb der Metallbälge 302 über das Hohlventilglied 310 und die Bohrung des Ankers 304, um das Ausgleichsventilglied 310 unter Druck und den Anker 346 in die geschlossene Position zu versetzen.
Ein Kraftplan des Ankers 304 und des Ventilgliedes 310 wird in 10B dargestellt. In der geschlossenen Position, in der der Abgasdruck gegen die ringförmige obere Oberfläche 364 des Ankers 304 wirkt, wird eine nach unten gerichtete Schließkraft aufgebaut, während der Abgasdruck gegen eine ringförmige Oberfläche 366 auf der Unterseite des Ventilkopfes 360 wirkt und eine nach oben gerichtete Öffnungskraft erzeugt. Ein exaktes Druckgleichgewicht kann durch die Größenauslegung der Bereiche der Oberflächen 344 und 366 erzielt werden, um eine nach unten gerichtete Schließkraft F_PP und eine nach oben gerichtete Öffnungskraft F_PP zu erzeugen, die gleich und entgegengesetzt sind.
Das Ventilglied 310 ist ebenfalls vorzugsweise druckausgeglichen auf der Vakuum oder negativen Druckseite. Vakuum oder negativer relativer Druck „zieht" an der oberen ringförmigen Oberfläche 370 den Ventilkopf 360. Im Gegensatz dazu „zieht" eine nach unten gerichtete Kraft an horizontal erstreckte Oberflächen 372 und 374 des Ankers 304. Bei gleicher Auslegung der gesamten horizontal erstreckten Oberflächenbereiche 372 und 374 mit dem erstreckten Oberflächenbereich 370 wird die EGR Ventilvorrichtung 300 vollständig druckinsensitiv auf Veränderungen in dem relativen negativen Druck am Einlasskrümmer 31. Obwohl es nicht dargestellt ist, sollte davon ausgegangen werden, dass Positions- oder Feldsensoren, die an anderer Stelle beschrieben sein können, auch in dieser Darstellung dieser Ausgestaltung eingesetzt werden können.
Die Herstellung eines Druckgleichgewichtes entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung einer leichten Feder und eine kleinere und leichtere Solenoidanordnung und/oder einen geringen Betriebsstrom für die Solenoidanordnung 314. Metallische Faltenbalge 302 stellen nicht nur eine angepasste Federkraft zum Schließen des Ventilgliedes 310 dar, sondern bilden einen Teil der expandierbaren Vorrichtung, die ein Druckgleichgewicht aufbaut, wenn die EGR Ventilvorrichtung 300 geschlossen ist.
9 zeigt eine Fluidflussventilvorrichtung 400. Die Ventilvorrichtung 400 beinhaltet einen metallischen Faltenbalg 402, welcher dazu verwendet wird, einen Anker 404 in eine geschlossene Position vorzuspannen, genauso wie einen Teil einer expandierbaren Vorrichtung bereitzustellen, welche zur Herstellung eines Gleichgewichtes für ein Ventilglied 405 verwendet wird. Das Ventilglied 406 weist einen Schaft 406 und einen Ventilkopf 408 auf. In dieser Anordnung wird der Metallbalg 402 abgedichtet durch eine Endplatte 410 und ist positioniert in einem Gehäuse 412, um eine expandierbare Vorrichtung bereitzustellen, die das Ventilglied 406 sowohl in der geöffneten wie in der geschlossenen Position in ein Druckgleichgewicht zu bringen.
Insbesondere beinhaltet die Ventilvorrichtung 400 eine abgeschlossene Ventilanordnung 414 und eine Solenoidanordnung 416. Die Solenoidanordnung 416 ist an einer Ventilanordnung 414 angebracht, um ein bewegbares Ventilglied 406 zu betreiben, welches in einem Ventilkörper 420 enthalten ist, um den Fluss von Abgas durch die Ventilvorrichtung 400 zu steuern, wenn diese als ein EGR Ventil verwendet wird.
Der Ventilkörper 420 beinhaltet einen Einlassdurchgang 422 und einen Auslassdurchgang 424. Eine zentrale Kammer 426 wird in dem Ventilkörper 420 außerhalb des Gehäuses 412 ausgeführt. Das Gehäuse 412 bildet einen Teil der expandierbaren Kammer 427. Eine Öffnung 428 in dem Gehäuse 412 stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Einlassdurchgang 422 mit der expandierbaren Kammer 427 dar. Wenn das Ventilglied 406 geöffnet wird, so kann Abgas von dem Einlassdurchgang 422 über die expandierbare Kammer 427 zur zentralen Kammer 426 und zum Auslassdurchgang 424 hindurchtreten.
Die gegenüberliegenden Abschlusswände des Gehäuses 412 weisen koaxial ausgerichtete Öffnungen 432, 434 auf und einen Ventilsitz 436. Der Ventilkopf 408 wirkt zusammen mit dem Ventilsitz 436, um den Fluss durch die untere Öffnung 434 in dem Gehäuse 412 zur zentralen Kammer 424 zu unterbinden. Wird der Ventilkopf 408 von dem Ventilsitz 436 weg bewegt, das heißt weg von der Position, wie sie in 9 dargestellt ist, so wird ein Fluss vom Einlassdurchgang 422 über die untere Öffnung 434 im Gehäuse 412 in die zentrale Kammer 424 und heraus aus dem Auslassdurchgang 424 ermöglicht.
Der Schaft 407 des Ventilglieds 406 ist ein Festkörper und sein gegenüberliegenden Enden sind gleitend in Hülsenlagern positioniert und an den gegenüberliegenden Abschlusswänden des Ventilkörpers 420 abgestützt, so dass das Ventilglied 406 und der Schaft 407 im Ventilkörper 420 entlang der Achse der ausgerichteten Öffnungen in den Abschlusswänden des Gehäuses 412 hin- und hergleiten können. Der Metallbalg 402 ist im Gehäuse 412 platziert und weist ein oberes geöffnetes Ende auf, welches abgedichtet in der oberen Öffnung 432 des Gehäuses 412 befestigt ist. Das untere Ende des Metallbalges 402 wird durch eine Abschlussplatte 410 abgedichtet, um eine abgedichtete expandierbare Kammer 427 innerhalb des Gehäuses 412 auszubilden, welches in Verbindung mit dem Einlassdurchgang 422 steht. Die Abschlussplatte 410 ist am Schaft 407 angebracht, so dass der Balg 402 das Ventilglied 406 in der geschlossenen Position entsprechend 9 hält, wenn die Solenoidanordnung 416 nicht erregt ist.
Die Solenoidanordnung 416 beinhaltet ein becherförmiges Gehäuse 446 mit einer ringförmigen Bodenwand 450, welche ein hohles Polstück 452 mit kreisförmiger Gestalt aufweist. Die Spule 454 ist im Gehäuse 446 platziert und an dem hohlen Polstück 452 befestigt.
Eine ringförmige Lagerplatte 456 ist in einer ringförmigen Kunststoffabdeckung 460 gelagert, welche an dem oberen Ende des Gehäuses 446 angegossen ist. Der Anker 404 ist aus einem magnetischen Material hergestellt und ist gleitend in den ausgerichteten Bohrungen der kreisförmigen Lagerplattte 456 und der Kunststoffabdeckung 460, deren unteres Ende sich in die Spule 454 erstreckt, platziert. Der Anker 404 weist einen Hohlkörper auf, der eine Bohrung 465 beinhaltet, welche einen Stößel 466 aufnimmt, der ein oberes Ende mit Gewinde aufweist, welches in ein mit Gewinde versehenes oberes Ende 468 des Ankers 404 eingeschraubt ist. Der Stößel 466 erstreckt sich durch das hohle Polstück 452 und wirkt zusammen mit dem oberen Ende des festen Schaftes 407 des Ventilgliedes 406. Die Solenoidanordnung 416 beinhaltet weiterhin eine Kappe 470, welche auf einen ringförmigen Flansch einer Kunststoffabdeckung 460 passt, um das nach oben erstreckende Ende des Ankers 404 zu schützen.
Die Ventilvorrichtung 400 ist in einem Abgasrückführungssystem beinhaltet, in dem es in eine Rückmeldungsschaltung ähnlich wie in 3 gezeigt, eingebunden ist. Auf diese Art und Weise ist der Einlassdurchgang 422 mit dem Abgaskrümmer 38 verbunden und der Auslassdurchgang 424 ist verbunden mit dem Einlasskrümmer 31. Beim Aufbau wird die Solenoidanordnung 416 mit einer Motorsteuerung verbunden wie mit der Steuerung 50, wie sie schematisch in 3 dargestellt ist.
Die Motorsteuerung steuert den Strom für die Spule 454 der Solenoidanordnung 416 in einer programmierter Form, so dass der Anker 404 im Gehäuse 446 axial hin- und herbewegt wird und das Ventilglied 406 bewegt sich in Richtung und weg von dem Ventilsitz 436 über den Stößel 466 und den massiven Schaft 440. Bei Energiezufuhr zieht die Spule 454 den Anker 404 in Richtung auf den Ventilkörper 420 gegen die Kraft eines sich ausdehnenden Metallbalges 402, wobei das Ventilglied 406 und der Ventilkopf 408 von dem Ventilsitz 436 wegbewegt werden. Dadurch wird eine Verbindung von der Kammer 444 der expandierbaren Vorrichtung zu der zentralen Kammer 424 hergestellt, so dass ein Abgasstrom von dem Einlassdurchgang 422 über die Ventilvorrichtung 400 aufgebaut wird und in den Einlasskrümmer 31 hineinreicht.
Wenn die Spule 454 nicht erregt ist, sitzt der Ventilkopf 408 des Ventilgliedes 406 gegen den Ventilsitz 436 auf Grund der Federkraft des sich zusammenziehenden Metallbalges 402, womit der Fluss des Abgases durch den Ventilsitz 436 blockiert ist. In dieser geschlossenen Position kann das Abgas nicht in die zentrale Kammer 424 strömen. Das Abgas in der Kammer 427 wirkt auf die Abschlussplatte 410 des Metallbalges 402 ebenso wie auf den Ventilkopf 408 des Ventilgliedes 406, wodurch Druckkräfte erzeugt werden, die in entgegengesetzte Richtungen wirken. Diese Druckkräfte können ausgeglichen werden durch genaue Größendimensionierungen eines inneren Oberflächenbereiches 474 einer Abschlussplatte 410 und des inneren Oberflächenbereiches 476 des Ventilkopfes 408, um gleiche und entgegengesetzte Druckkräfte zu erzeugen, die auf das Ventilglied 406 wirken.
Weiterhin kann die Vakuumseite der EGR Ventilvorrichtung 400 ebenso genau ausgeglichen werden durch präzise Größenauslegung des äußeren Oberflächenbereiches 480 der Abschlussplatte 410 und des äußeren Oberflächenbereiches 482 des Ventilkopfes 408. Entsprechend wirken gleiche und entgegengerichtete Vakuumdruckkräfte auf das Ventilglied 406, wenn die Ventilvor richtung 400 geschlossen ist. Somit liefern die Metallbälge 402 nicht nur eine angemessene Federkraft zum Schließen des Ventilgliedes 406, sondern bilden ebenso einen Teil der expandierbaren Vorrichtung, die ein Druckkraftgleichgewicht und ein Abgasdruckkraftgleichgewicht bereitstellt, wenn die Ventilvorrichtung 400 geschlossen ist.
10C zeigt die ausgeglichenen Kräfte einwirkend auf das Ventilglied 406 auf Grund der positiven und negativen relativen Drücke, die auf horizontal vorspringende Oberflächen ausgeübt werden, wenn die Ventilvorrichtung 400 geschlossen ist. Negative Druckkräfte F_NP ziehen am Ventilkopf 408 nach unten und an der Abschlussplatte 410 der Metallbälge 402 nach oben. Abgaskräfte oder relativ positive Druckkräfte F_PP wirken auf den Ventilkopf 408 und auf die Abschlussplatte 410. Durch Gleichsetzung der hervorspringenden horizontalen Oberflächen der Abschlussplatte 410 und des Ventilkopfes 408 wird die Ventilvorrichtung 400 relativ unempfindlich gegenüber Druckänderungen im Abgas oder im Einlasskrümmer. Die nach oben gerichtete Federkraft F_SP sollte ausreichend groß sein, um den Ventilkopf 408 abdichtend gegen Kräfte auf Grund von Schwingungen zu halten.
Die 11A und 11B zeigen eine druckausgeglichene solenoidbetätigte Ventilvorrichtung 500, die entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist. Die Solenoidventilvorrichtung 500 ist druckausgeglichen in einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben unter Bezug auf die Ventilvorrichtung 24.
Die Solenoidventilvorrichtung 500 beinhaltet ein Basisgehäuse 502, an die eine Solenoidteilanordnung 504 befestigt ist. Die Unteranordnung 504 wird vorzugsweise aufgebaut kalibriert und geprüft, bevor sie an dem Basisgehäuse 502 angebracht wird. Die besondere Gestalt des Basisgehäuses 502 ist angepasst, um den zugehörigen oder Befestigungs-Vorschriften des jeweiligen Motors zu entsprechen. Deshalb muss lediglich das Basisgehäu se 502 verändert werden, um die Solenoidunteranordnung 504 in einer großen Anzahl von verschiedenen Motoren einsetzen zu können. Alternativ kann, wenn eine geeignete Montageoberfläche an einem Motor bereitgestellt ist, eine Solenoiduntereinheit 504 direkt an dem Motor befestigt werden, wodurch die Notwendigkeit eines Basisgehäuses 502 entfällt.
Die Solenoidunteranordnung 504 enthält eine Spule 506, die innerhalb eines Kunststoffspulenkörpers 508 gehalten ist. Die Kombination von Spule 506 und Spulenkörper 508 wird innerhalb eines inneren Gehäuses 510 gehalten, welches im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist und eine innere Wand 511 und eine Basiswand 512 aufweist. Ein äußeres Gehäuse 514 umgibt teilweise den Spulenkörper 508 und das innere Gehäuse 510. Das äußere Gehäuse 514 weist ein nach unten gerichtetes anhängendes ringförmiges Teil 516 auf, welches sich nach unten in Richtung auf die innere Wand 511 des inneren Gehäuses 510 erstreckt. Eine innere Hülse 518 mit einer auf deren Spitze platzierter Kunststoffkappe 519 ist am äußeren Gehäuse 514 benachbart zu dem nach unten gerichtetem anhängendem Teil 516 befestigt. Ein Anker 520 weist ein Ventilglied 522 auf, welches an dessen unterem Ende angebracht ist. Die innere Oberfläche des Ankers 520 ist auf der Hülse 518 geführt. Eine Feder 523 spannt den Anker 520 und das Ventilglied 522 nach unten von der Kappe 519 weg gerichtet vor.
Ein eingeprägter Metalleinsatz 524 weist einen radial erstreckenden Kopfflansch 526 auf, der eingeschlossen ist zwischen der Basiswand 512 des inneren Gehäuses 510 und einem radial inwändig erstreckenden Rückhalteflansch 530 des äußeren Gehäuses 512. Der Einsatz 524 weist weiterhin eine Schulter 532 auf, an der eine Stützplatte 534 befestigt ist. Die Stützplatte 534 weist Zugriffslöcher 536 auf, die sich hindurch erstrecken, um eine Verbindung zwischen einer inneren Kammer 538, in welchem sich das Ventilglied 522 hin- und herbewegt, und einem ringförmigen Raum 539, der zwischen Anker 520 und innerem Gehäuse vorhanden ist, zu liefern. Der Einsatz 524 weist weiterhin eine sich radial nach innen hin verjüngende Wand 542 auf, welche als ein Ventilsitz dient. Schließlich weist der Einsatz 524 ein ringförmiges Anschlussteil 544 auf. Das Ventilglied 522 besitzt einen Hohlschaft 546, der an dem Anker 520 befestigt ist und einen Ventilkopf 548, der gegen die sich verjüngende Wand 542 abdichtet.
Das Basisgehäuse 502 umfasst eine Einlassöffnung 550 und eine Auslassöffnung 552, die in Verbindung mit der inneren Kammer 538 steht. Die innere Oberfläche des Basisgehäuses 502 ist so ausgelegt, um mit der äußeren Oberfläche des Einsatzes 524 zusammenzupassen und dient somit als Abstützung.
Beim Zusammenbau wird das Ventilglied 522 durch die Stützplatte 534 platziert und an dem Anker 520 fixiert. Die Stützplatte 534 hat einen Sitz an der Schulter 532 des Einsatzes 524. Das innere Gehäuse 510 ist konzentrisch über dem Einsatz 524 positioniert. Als nächstes werden der Spulenkörper 508 und die Wicklung 506 radial um das innere Gehäuse 510 platziert. Das äußere Gehäuse 514 ist über dem Spulenkörper 508 und dem Kopfflansch 526 des Einsatzes 524 platziert. Wie es in 11B dargestellt ist, sind ein Paar von Rückhalteflanschen 528 am äußeren Gehäuse 514 umgefalzt, um den Kopfflansch 526 des Einsatzes 524 zwischen dem Rückhalteflansch 528 und der Basiswand 512 des inneren Gehäuses 510 zu sichern. Als nächstes wird die Feder 523 über dem Anker 520 platziert und die Hülse 518 innerhalb des Ankers 520 planiert und die Auffangfeder 523 zwischen dem Anker 520 und der Hülse 518. Die Kunststoffkappe 519 stützt einen Feldsensor 546 wie einen Magnetfluss- oder Induktionsfeldsensor. An diesem Punkt ist die Solenoidunteranordnung 504 zusammengebaut und fertig, um in dem Basisgehäuse 502 eingepasst zu werden.
Der Feldsensor 546 wird dann kalibriert wie oben beschrieben mit Bezug auf den Feldsensor 184. Bevor die Unteranordnung 504 gekrimmt oder am Basisgehäuse befestigt wird, wird die Ventilanordnung 500 kalibriert. Der Kalibrierungsvorgang er fordert eine Erregung der Spule 506 mit einem maximal geforderten Hub oder Fluss. In der Prüfung wird direkt der Fluss oder der Hub mit einem LVDT (linear variabler Versetzungsüberträger) gemessen oder mit einem Durchflussmesser. Dann wird der der Spule 506 zugeführte Strom soweit erniedrigt, bis kein Hub oder Fluss vorhanden ist. Es wird laufend die Beziehung und Berechnung des notwendigen Versatzes und/oder der Rampe, die von der Position der Sensorwahl abhängt, wie eine Versetzung oder ein Fluss, bestimmt. Danach werden geeignete Widerstände mit Lasern getrimmt, um einen gewünschten Spannungsausgang im Verhältnis zu einem Hub (oder Fluss) zu erhalten. Es ist sichtbar, dass andere Ausgestaltungen der Ventilanordnungen, die hierin beschrieben werden, auf ähnliche Art und Weise kalibrierbar sind.
Die Kontrollschaltung wird dann vergossen oder abgedichtet um empfindliche elektronische Komponenten vor Wasser zu schützen sowie vor Kontamination usw. Dieses Verfahren minimiert Verkippungen und Fertigungsschwankungen. Ebenso lässt es erweiterte Toleranzgrenzen für Bauteile zu, was sich in niedrigeren Kosten niederschlägt. Schließlich unterstützt die Kalibierung die Ausgabe anwendungsbezogener Diagramme aus der Steuerschaltung 280 für jeden einzelnen Kunden und liefert gleichzeitig eine Überprüfung jedes Bestandteiles vor dem Zusammenbau des Basisgehäuses 502. Vorzugsweise werden sämtliche Kalibrierungen durch ein Lasertrimmverfahren der Widerstände auf der Schaltungsanordnung durchgeführt. Im Idealfall ist die Schaltungsanordnung in der Nähe der Motorsteuerung 50 platziert und damit außerhalb von übermäßiger Motorwärme.
Nach der Kalibrierung wird die Unteranordnung 504 an dem Basisgehäuse 502 durch Krimpen der vier Rückhalteflansche 552 am äußeren Gehäuse 512 befestigt, wie es in der 11B dargestellt ist, um das Basisgehäuse 502 zwischen den Rückhalteflanschen 552 und dem obersten Flansch 526 des Basiseinsatzes 524 einzuschließen. Ein Vorteil dieses besonderen Zusammenstellungsverfahrens besteht darin, dass die Unteranord nung 504 kalibriert und getestet werden kann, ohne dass das Basisgehäuse 502 sich an seinem eigentlichen Platz befindet. Weiterhin wird, wenn die Unteranordnung 504 kalibriert ist, irgendeine der zahlreichen verschiedenen Zusammenstellungen der Basisgehäuse 502 verwendet werden können, solange es dafür geeignet ist, durch Krimpen an der Solenoidanordnung 504 befestigt zu werden. Dies ermöglicht es, unterschiedliche Basisgehäuse 502 einzusetzen, welche für unterschiedliche Herstellungsbestimmungen kompatibel sind jeweils mit einer im Allgemeinen identischen Unteranordnung 504. Alternativ kann die Unteranordnung 504 direkt an einem Gehäuse gekrimpt werden oder an dem Motor befestigt werden, wodurch das geforderte Basisgehäuse entfällt.
Die Vorteile der oben beschriebenen Ventilvorrichtung 24, 300, 400 und 500 sind nicht lediglich auf den Einsatz eines EGR Ventiles in Fahrzeugmotoren beschränkt. Die druckausgeglichenen, solenoidbetätigten Ventile können für andere Fluidsteueranwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann in anderen Ausgestaltungen die vorliegende Erfindung in einem Fahrzeugkühlsystem 600 eingebaut sein, wie es schematisch in 15 dargestellt ist. Das Kühlsystem 600 beinhaltet eine druckausgeglichene, solenoidbetätigte Ventilvorrichtung 602, einen Radiator 604, einen Motorblock 606 und eine Wasserpumpe 610. Im Betrieb des Fahrzeuges wird Wärme von dem Motorblock 606 in das darin umlaufende Wasser übertragen. Das Wasser wird durch eine Wasserpumpe 610 über eine Solenoidventilvorrichtung 602 zu einem Radiator 604 gepumpt. Der Radiator 604, ein herkömmlicher Radiator, wird eingesetzt, um die Wärme aus dem Wasser an die umgebende Atmosphäre abzuführen, womit die Temperatur des Wassers, das durch das Kühlsystem 600 fließt, abnimmt. Das Wasser vom Radiator wird zurückgeführt, um den Maschinenblock 606 zu kühlen.
In dieser Ausgestaltung wird ein Blocktemperatursensor 612 verwendet, um die Temperatur des Maschinenblockes 606 zu ermitteln. Die Temperatur wird durch einen Temperatursensor 612 aufgenommen und diese Information wird an eine Maschinensteuereinheit 614 übermittelt. Alternativ kann die Maschinensteuereinheit 614 einen Wassertemperatursensor 616 besser verwenden als den Maschinenblocksensor 612.
Wenn die Temperatur zu niedrig ist, so wird ein Signal von der Maschinensteuereinheit 614 an das Solenoidventil 602 gesendet. In einer derartigen Situation wird der Strom für das Solenoidventil 602 begrenzt, womit das Solenoidventil 602 in eine geschlossene Position gefahren wird. Somit wird die Hitze in dem Maschinenblock 606 verbleiben und nicht durch das Wasser zu dem Radiator 604 ausgetragen.
Wenn die Temperatur im Motorblock 606 einen vorbestimmten Pegel erreicht hat, wird die Steuereinheit 614 ein Signal senden, welches das Solenoidventil 602 erregt. Das Solenoidventil 602 wird dann zunehmend geöffnet, um die gewünschte Durchflussrate zu erzielen. Das durch den Radiator 604 fließende Wasser wird die Wärme abgeben und zurückkehren zum Motorblock 606 mit einer reduzierten Temperatur.
Bei der Verwendung einer Solenoidventilvorrichtung 602, welche vorzugsweise entsprechend einem der voraus beschriebenen Ausgestaltungen des Solenoidventiles 24, 300 oder 400 oder 500 entspricht, wird ermöglicht, dass durch das Kühlsystem 600 die Vorteile ausnutzbar sind, die durch die druckausgeglichene Solenoidventilvorrichtung der vorliegenden Erfindung erbracht werden. Insbesondere können, da die Ventilvorrichtungen druckausgeglichen sind, relativ kleine Federn verwendet werden, um die Solenoidventile offen oder geschlossen zu halten, in Abhängigkeit von ihrer Ausgestaltung, wenn das Solenoidventil nicht erregt ist. Wenn die Solenoidventilvorrichtung 602 erregt wird, so wird lediglich ein relativ kleiner Strom benötigt, um den Anker und das Ventilglied zu bewegen, weil die Solenoidventilvorrichtung 602 keine internen Drücke des durchfließenden Wassers überwinden muss oder diesem widerstehen muss. Ebenso können bei einer Solenoidventil vorrichtung 602 die Vorteile einer verbesserten Steuerfähigkeit eines Ventilgliedes auf Grund der sensitiven Versetzungs-Auslesung, die durch die Feldsensoren wie einen Halleffektsensor oder einen Induktionssensor nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung, bereitgestellt werden. Weiterhin sind diese Sensoren dafür bekannt, sich nicht abzunützen, da sie keine mechanisch bewegbaren Teile aufweisen. Überdies sind sie leicht kalibrierbar während der Herstellung der Ventilvorrichtung und sind relativ widerstandsfähig gegenüber einer Abweichung von der Kalibrierung. Ein weiterer Vorteil dieser Ventilvorrichtungen besteht darin, dass die Solenoidanordnungen im Gewicht reduzierbar sind, womit die Solenoidventilvorrichtungen wirtschaftlicher herzustellen sind und gleichzeitig wird das Gesamtgewicht des Fahrzeuges erniedrigt.
16 zeigt eine druckausgeglichene, solenoidbetätigte Ventilvorrichtung 700. Die Solenoidventilvorrichtung 700 weist ein Basisgehäuse 702 auf, an welchem eine Solenoidunteranordnung 704 befestigt ist. Die Unteranordnung 704 ist vorzugsweise aufgebaut, kalibriert und vor dem Zusammenbau mit dem Basisgehäuse 702 geprüft. Die besondere Gestaltung des Basisgehäuses 702 wie in Form des Basisgehäuses 502' der Ventilvorrichtung 500 ist so angepasst, dass die Zusammenbau- oder Befestigungserfordernisse eines bestimmten Motors erfüllt sind. Folglich kann die Solenoidunteranordnung 704 in einer breiten Vielfalt von Basisgehäusen eingesetzt werden.
Die Solenoidunteranordnung 704 weist eine Spule 706 auf, die innerhalb eines Kunststoffspulenkörpers 708 gehalten ist. Die Kombination aus Spule 706 und Spulenkörper 708 wird innerhalb des Gehäuses 710 gehalten, welches L-förmig im Querschnitt aufgebaut ist mit einer inneren Wand 711 und der Basiswand 712. Ein äußeres Gehäuse 714 umgibt teilweise den Spulenkörper 708 und das innere Gehäuse 710. Das äußere Gehäuse 714 weist ein nach unten gerichtetes, anhängendes, ringförmiges Teil 716 auf, welches sich in Richtung auf die innere Wand 711 des inneren Gehäuses 710 hin erstreckt. Die inneren und äußeren Gehäuse 710 und 714 wirken zur Ausbildung eines ringförmigen Polstückes zusammen. Eine innere Hülse 718 weist ein erstes ringförmiges Teil 720 auf mit einem geschlossenen Ende 721, einem zweiten ringförmigen Teil 722 mit einem größeren Durchmesser und einem radial nach außen erstreckenden Flansch 724. Eine sich radial erstreckende Stufe 726 ist zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Teil 722 und 724 ausgebildet. Der Flansch 724 der inneren Hülse 718 steht zwischen dem inneren Gehäuse 710 und dem Basisgehäuse 702, wenn die Ventilvorrichtung 700 vollständig zusammengebaut ist.
Ein Anker 730, eine Magnethalterung 732 und ein Magnet 734 bewegen sich innerhalb der Hülse 718 und des Basisgehäuses 702 hin und her. Der Anker 730 ist hohl ausgebildet mit einer abgestuften inneren Bohrung 731 mit einer Stufe 733. Die Magnethalterung 732 weist einen scheibenähnlichen, sich nach außen erstreckenden Flansch 736 auf, eine Magnetvertiefung 738 an ihrem oberem Ende, in welchem der Magnet 734 gehalten ist, einen Hohlraum 739, der an dem unteren Teil der Magnethalterung 732 ausgeformt ist und ein Paar von Zugriffsöffnungen 740, die eine fluidische Verbindung zwischen der inneren Hülse 718 und dem Hohlraum 739 liefern. Eine Kappe 741 deckt die Magnetvertiefung 738 ab. Die äußere Oberfläche der Magnethalterung 732 ist in axialer oder longitudinaler Richtung gerippt, damit Abgas frei zwischen der Magnethalterung 732 und dem ersten ringförmigen Teil 720 der inneren Hülse 711 passieren kann. Alternativ kann die innere Hülse 718 relativ zu dem äußeren Durchmesser der Magnethalterung 732 überdimensioniert werden, um einen Fluidfluss unterzubringen. Der Magnet 734 weist Nord- und Südpole N und S auf. In der bevorzugten Ausgestaltung ist der Magnet 734 ein SamariumKobalt (SmCo) Magnet. Der Anker 730 ist an der Magnethalterung 732 mit dem Flansch 736 befestigt, worauf das obere Ende des Ankers 732 getragen wird. Eine Feder 742 ist zwischen der Stufe 726 und der inneren Hülse 718 positioniert und der Flansch 736 der Magnethalterung 732, der den Anker 730 und die Magnethalte rung 732 ab der Stufe 726 vorspannt, und den Anker 730 von der Ventilanordnung 700 ist geschlossen.
Eine Abdeckung 744 ist über dem äußeren Gehäuse 714 angebracht. Ein Halleffektsensor 746 ist auf einer integrierten Einheit 747 in der Nähe des Magneten 734 angebracht. Der Nord- und der Südpol N und S bewegen sich entlang des Halleffektsensors 746 während des Betriebes der Ventilvorrichtung 700, wie es noch beschrieben wird, hin und her. Wie den Figuren zu entnehmen ist, bezeichnet 16 ein Paar von elektrischen Anschlüssen 748, welche mit der Motorsteuerung 50 in Verbindung stehen. Wie dargestellt gibt es fünf Anschlüsse, eine Stromleitung und Masse für die Spule 706 und drei Stromzuleitungen für den Halleffektsensor 746. Ein Verbindungsgehäuse 750 ist an der Abdeckung 744 ausgebildet, um einen nicht dargestellten Verbinder darzustellen, der in die Abdeckung 744 passt und elektrisch mit den Anschlüssen 748 verbunden ist.
Das Basisgehäuse 702 weist eine Abgaseinlassöffnung 752 auf und eine Auslassöffnung 754, die ebenfalls darin ausgebildet ist. Ein Paar von Befestigungsohren 756 ermöglichen die Befestigung an einem Motor. Das Basisgehäuse 702 weist eine innere Bohrung 760 mit einer ersten Stufe 762 auf und einem radial nach innen erstreckenden Flansch 764. Ein Lagerkragen wird auf einer ersten Stufe 762 getragen und dient als eine Führung für den Anker 730. Ein Sitzring 768 ruht auf dem Flansch 764 und ist allgemein dreiecksförmig im Querschnitt. Das untere Ende 770 des Ankers 730 weist eine Dichtoberfläche 772 auf, welche gegen den Sitzring 768 abdichtet, um den Fluss von Abgas über die Einlassöffnung 752 der Ventilvorrichtung 700 zu steuern.
Ein Kräftediagramm der vertikalen Kräfte auf Grund des auf den Anker 730 und die Magnethalterung 732 wirkenden Abgasdruckes wird in 17 dargestellt. Die Kräfte F_PP wirken nach oben auf die Dichtoberfläche 772 und die Zwischenstufe 733 des Ankers 730 und auf das untere Ende 784 und die innere ho rizontale Oberfläche des Hohlraumes 739 der Magnethalterung 732. Der Abgasdruck wirkt nach unten auf den Flansch 736 und die Kappe 741 der Magnethalterung 732. Die Zugriffsöffnungen 740 und die Rillen auf der äußeren Magnethalterung 732 ermöglichen dem Abgas, genau den Flansch 736 und die Kappe 741 zu erreichen, welche innerhalb der inneren Hülse 718 platziert sind. Die horizontalen Bereiche, auf welche die nach oben und nach unten gerichteten Kräfte wirken, sind allgemein in der Größe gleich. Folglich wird an einer Ventilvorrichtung, wie sie in oben beschriebenen Ausgestaltungen erscheint, die Ventilvorrichtung 700 allgemein druckausgeglichen sein und die Feder 742 kann in der Größe minimal ausgelegt werden.
Wie schematisch in 18 dargestellt, gleitet der Magnet 734 axial entlang des Halleffektsensors 746, wobei der Südpol S in der Nähe davon passiert, wenn der Anker 730 allgemein in einer geschlossenen Position ist und der Nordpol N passiert dort, wenn der Anker 730 sich in der Nähe der vollständig geöffneten Position befindet. Der Nordpol N baut einen positiven Fluss auf, während der Südpol S einen entgegengesetzten oder negativen Fluss in der den Halleffektor 746 umgebenden Zone erzeugt. Der Halleffektsensor 746, wie er in 16 dargestellt wird, ist über der Spule 706, sowie über innerem und äußerem Gehäuse 710 und 714 positioniert. Folglich ist der Magnetfluss, der auf Grund des elektrischen Stromes, der durch die Spule 706 führt, vernachlässigbar im Verhältnis zu dem Fluss, der durch den benachbarten Magneten 734 erzeugt wird.
Idealer Weise wird das Spannungsausgangssignal vom Halleffektsensor 746 Schwankungen zwischen 0,5 und 4,5 V aufweisen, wobei 2,5 V als Ausgangssignal anliegen, wenn kein Fluss erfasst wird oder wenn positive und negative Flüsse gleich sind und sich gegenseitig ausgleichen. Ein positiver Fluss, der durch den Halleffektsensor 746 erfasst wird, liefert ein größeres Ausgangssignal als 2,5 V, während ein negativer Fluss das Spannungsausgangssignal des Halleffektsensors 746 auf we niger als 2,5 V vermindert. Das Ausgangsspannungssignal des Halleffektsensors 746 gibt den Unterschied des Magnetflusses zwischen den Polen des Magneten 734 wieder, welcher linear ist, wie es in der 19 angedeutet ist.
Der Halleffektsensor 746 wird kalibriert, um ein Spannungsausgangssignal zu erzeugen, welches linear auf den Hub oder die Versetzung des Ankers 730 bezogen ist. Die Unteranordnung 704 ist an einem Prüfstand montiert, der einen LDVT (linearer variabler Versetzungswandler) beinhaltet. Der LDVT wird eingesetzt, um die Position des Ankers 730 relativ zu einem Sitz auf dem Prüfstand zu bestimmen, ähnlich dem der auf dem Basisgehäuse 702 zu finden ist.
Entsprechend 20 wird das Ausgangssignal des Halleffektsensors 746 auf einen Spannungsteiler 782 gelegt, welcher eine Bestimmungsausgangsspannung erzeugt, die gegen die Versetzung δ aufgezeichnet wird, die von dem LDVT bestimmt wird. Anfänglich wird bei geschlossenem Anker 730 und bei einer Positionierung des Südpoles S in der Nähe des Halleffektsensors 746 ein negativer Fluss durch den Halleffektsensor 746 erfasst werden. Entsprechend wird eine Ausgangsspannung, beispielsweise 0,5 V, von dem Spannungsteiler 782 ausgegeben. Der Strom in der Spule 706 wird dann ansteigen, bis der Anker 730 sich wesentlich seiner maximalen Öffnungsposition genähert hat. Das entsprechende Spannungsausgangssignal vom Spannungsteiler 782 wird aufgetragen gegen die erfasste Versetzung δ des Ankers. Die Kurve 782 in 21 zeigt eine Extrapolation zwischen diesen beiden Werten.
Die Veränderung im Fluss entlang des Magneten 734 ist allgemein linear. Folglich wird das Spannungsausgangssignal vom Halleffektsensor 746 über den Hub δ des Ankers 730 ebenso linear sein. Es ist wünschenswert, die Ventilvorrichtung 700 zu kalibrieren, so dass eine vorbestimmte Steigung m oder Volt/Versetzungseinheit für die Ventilvorrichtung 700 aufgestellt wird. Weil die Stärke des verwendeten Magneten und die Tole ranzen zwischen den Bauteilen der Ventilanordnungen 700 unter den verschiedenen Ventilvorrichtungen 700 schwanken, wird das Ausgangssignal vom Halleffektsensor 746 durch den Spannungsteiler 782 bestimmt, um die gewünschte Neigung m für die Ventilvorrichtung 700 einzurichten. Folglich wird die Versetzung des Ankers 730 proportional sein durch den Faktor oder die Neigung m zu der entsprechenden Änderung im Spannungsausgangssignal des Spannungsteilers 782 als Ergebnis der Bewegung des Ankers 730.
Der Spannungsteiler 782 ist, obwohl dies nicht dargestellt ist, vorzugsweise auf einer bestückten Leiterplatte 747 befestigt. Die Platzierung der elektronischen Schaltung 747 und der Bauelemente darauf wird ausreichend von der Spule 708 beabstandet und isoliert vom Abgas innerhalb der Ventilanordnung 700, wodurch die Lebensdauer und die Verfügbarkeit der Steuerschaltung auf der bestückten Leiterplatte 747 erhöht wird.
Wie in 21 zu sehen ist, stellt die Linie 784 die Ausgangsspannung aufgetragen gegen die Versetzungskurve vor der Justierung des Spannungsteilers 782 dar. Beispielsweise kann ein vorbestimmter oder gewünschter Wert einer Neigung m₁ zu 1,0 V/mm gewählt werden. Anfänglich wird die Neigung m₀ größer als 1,0 V/mm sein. Der Spannungsteiler 782 ist vorzugsweise durch Lasertrimmen eines Widerstandes R3 eingestellt, bis m₁ = 1,0 V/mm annimmt. Die Kurve 786 weist eine vereinbarte Neigung m₁ auf, die von der unbedingten Neigung m₀ der Kurve 784 abgeleitet ist, welche mit dem Ausgangssignal des nicht getrimmten Spannungsteilers 782 korrespondiert. Natürlich können auch andere Werte von m₁ verwendet werden, solange die Maschinensteuerung mit dem genauen Wert von m₁ programmiert wird.
In ähnlicher Weise können sämtliche anderen herzustellenden Ventilanordnungen 700 eine Kalibrierung oder eine Neigung des vorbestimmten Wertes m₁ aufweisen. Dies ermöglicht, dass jede Ventilanordnung 700 an einer Maschine befestigt und mit der Maschinensteuerung 50 verbunden werden kann. Der Versatz eines Ankers 730 kann dann bestimmt werden durch Multiplikation der Änderung des Spannungsausgangssignales ΔV mit dem inversen Ausdruck der Neigung 1/m₁. δ = 1/m × ΔVwobei:
δ = Versetzung;
m = Neigung oder Kalibrierfaktor; und
ΔV = Spannung – Basisspannung
Nachdem die Ventilanordnung 700 über eine längere Zeitdauer in einem Fahrzeug betrieben worden ist, möglicherweise über Jahre, kann eine Verschmutzung zwischen den Dichtsitzen und dem Anker 730 und dem Dichtring 768 aufgetreten sein. Folglich wird der Anker 730 nicht direkt gegen den Dichtring 768 abdichten, wie es der Fall war, als die Ventilanordnung 700 das erste Mal betätigt worden ist. Um diese Ansätze zu beseitigen und zwar zu jeder Zeit, wenn der Motor startet, nimmt die Maschinensteuerung 50 eine Auslesung der Basislinie des Spannungsausgangssignales von dem Spannungsteiler 784 bei geschlossenem Anker auf. Mit einem auf den Ansätzen aufsitzenden Anker 730 wird der Anker 730 höher sitzen und das anfängliche Ausgangssignal der Ventilanordnung 700 wird geringfügig größer sein als wenn die Ansätze nicht vorhanden wären. Der Kalibrierfaktor oder die Neigung m₁ (V/mm) der Ventilanordnung 700 werden konstant bleiben. Die Kurve 788 zeigt an, dass während die Basislinienspannung auf Grund von Verunreinigung angestiegen ist, die Neigung m₁ konstant bleiben wird. Folglich kann die Motorsteuerung 50 den Versatz von der Dichtposition des Ankers 730 zu jeder anderen Position einfach berechnen durch Multiplikation der Veränderung der Spannung ΔV von der Basislinienspannung durch den linearen Faktor 1/m.
Wiederum sind die Vorteile dieses Types von Halleffektsensortechnik die, dass keine bewegten Teile außer dem Anker, der Magnethalterung und dem Magneten vorkommen und er ist insgesamt kontaktlos. Das System kann kalibriert werden, was dazu beiträgt, dass die Ventilvorrichtung leichter handhabbar ist und wodurch verbesserte Gerätedaten ermöglicht werden. Die Kalibrierung ermöglicht ebenfalls den Einsatz verschiedener Gehäuse oder Gehäusetypen.
Die 22 und 23 stellen die EGR Ventilvorrichtung 800 dar. Die Ventilvorrichtung 800 beinhaltet ein Sensorgehäuse 801, ein Solenoidgehäuse 802 und ein Ventilgehäuse 804. Das Ventilgehäuse 804 beinhaltet eine Membran 808, welche zur Steuerung der Bewegung des Ventilgliedes 806 verwendet wird und spannt diese in eine geschlossene Position vor, wenn die Ventilvorrichtung 800 sich in einem statischen Zustand befindet. Die Membran 808 wird vorzugsweise unterhalb des Ventilgehäuses 804 platziert, um eine vertikale bewegliche Anordnung zu liefern, welche das Ventilglied 806 druckausgleicht in dessen vollständig offenen und vollständig geschlossenen Positionen, genauso wie für die verschiedenen teilweise offene Positionen dazwischen.
Wie in 22 dargestellt, ist die Solenoidanordnung 802 an dem Ventilgehäuse 804 zum Betrieb des beweglichen Ventilgliedes 806 angebracht. Das Ventilglied 806 beinhaltet einen Ventilschaft 812 und einen Ventilkopf 814, wobei deren Bewegung den Fluss von Abgas über die Ventilvorrichtung 800 steuert und das als ein EGR Ventil verwendet wird.
Das Ventilgehäuse 804 beinhaltet einen Einlassdurchgang 818 und einen Auslassdurchgang 820, von denen beide in Verbindung stehen mit einer zentralen Kammer 822. Die zentrale Kammer 822 wird in dem Ventilgehäuse 804 durch die inneren Wände des Ventilgehäuses 824 bestimmt. Wenn der Ventilkopf 814 sich in der geschlossenen Position befindet, so wirkt er zusammen mit einem Ventilsitz 832, um den Fluss von Abgas über die Ventilöffnung in dem Gehäuse 824 zu der zentralen Kammer 822 zu blockieren. Wenn das Ventilglied 806 geöffnet ist, so wird der Ventilkopf 814 abwärts gedrückt von einer geschlossenen Position 826 durch die Membran 808 entsprechend der darauf wirkenden Kräfte, wie es im Folgenden genauer erklärt wird. Das Ventilglied 806 ist zwischen der geschlossenen Position 826 und einer vollständig geöffneten Position 828 (dargestellt durch Linien) bewegbar. Es gibt eine unendliche Anzahl von Positionen zwischen der geschlossenen Position 826 und der vollständig offenen Position 828, in welche das Ventilglied 806 positioniert werden kann.
Wenn das Ventilglied 806 geöffnet wird oder von dem Ventilsitz 832 weggedrückt wird, so kann Abgas von dem Abgasdurchgang 829 durch die Ventilöffnung 830 in die zentrale Kammer 822 strömen, wo es mit einem Luftgemisch vermengt wird, welches die zentrale Kammer 822 über den Einlassdurchgang 818 betritt. Das Luft/Abgasgemisch verlässt die zentrale Kammer 822 über den Auslassdurchgang 820 und wird weitergeführt zum Einlasskrümmer und den Zylindern.
Der Ventilschaft 812 ist gleitend an den Gehäuselagerungen 833 abgestützt, die in den Seitenwänden des Ventilgliedes 806 positioniert. Das Ventilglied 806 kann sich somit in dem Ventilgehäuse 804 entlang einer allgemein vertikalen Achse, wie es in 22 gezeigt wird, hin- und herbewegen. Es ist so zu verstehen, dass die Achse lediglich zu Zwecken der Darstellung auf die Senkrechte bezogen ist und in jede andere Richtung orientiert sein könnte.
Wie in 23 gezeigt, ist die Membran 808 unterhalb des Solenoidgehäuses 802 positioniert und oberhalb des Ventilgehäuses 804 in einem Membrangehäuse 834. Das Membrangehäuse 834 beinhaltet eine obere Membranplatte 836, welche im Wesentlichen auf dem inneren Teil 839 der oberen Oberfläche der Membran 808 liegt und eine untere Membranplatte 838, welche im Wesentlichen auf dem inneren Teil 839 der Bodenoberfläche der Membran 808 liegt. Das äußere Teil 841 der Membran ist sandwichartig ausgeführt und zwischen dem Ventilgehäuse 804 und dem Membrangehäuse 834 befestigt. Die obere Membranplatte 836 steht in Verbindung mit einer Membranhalterung 840, welche die nach oben gerichtete Bewegung der Platten 836 und 838 begrenzt. Die Membranhalterung 840 ist ihrerseits an einer Stößelstange 842 durch eine Öffnung 843 in ihrem Zentrum gesichert. Die Stößelstange 842 spricht auf eine Bewegung eines Ankers 845 in der Soleinoidanordnung 810 an und bewegt sich hin und her.
Wie in 22 dargestellt, sind der Anker 845 und damit der Ventilkopf 814 in der geschlossenen Position 826, wobei der Ventilkopf nach oben gegen den Ventilsitz 832 drückt. Eine Rückholfeder 844 ist vorzugsweise zwischen dem Ventilgehäuse 804 und der unteren Rückhalteplatte 838 positioniert. Die Kraft der Rückholfeder 844 ist aufwärts gerichtet, um das Ventil 800 in der geschlossenen Position 826 vorzuspannen, welches ein aufzustoßendes Ventil ist. Die Kraft der Rückholfeder hilft, den notwendigen Druck zu erreichen, um ein Gleichgewicht entsprechend der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Wenn die Stößelstange 842 allgemein nach unten gedrückt wird auf Grund der Betätigung der Solenoidanordnung 810, so wird die Membranhalterung 840, welche in starrer Verbindung mit der Stößelstange 842 steht, ebenfalls allgemein nach unten bewegt gegen die Kraft der Rückholfeder 844. Die Kraft der Membranhalterung 840 überwindet die Federkraft und bewegt die obere Membranplatte 836 und somit die Membran 808 und die untere Membranplatte 838 nach unten. Die auf die Stößelstange 842 ausgeübte Kraft muss ausreichend sein, um die Vorspannkraft der Feder 844 zu überwinden, um die Membran 808 zu bewegen.
Die Bedienung der Stößelstange 842 drückt diese Bauteile von einer geschlossenen Position, welche durch durchgezogene Linien in der 23 dargestellt ist, durch einen Bereich von teilweise offenen Positionen zu einer vollständig offenen Position 828. Die vollständig offene Position wird durch die unterbrochenen Strichlinien verdeutlicht. Beispielsweise sind die Position der Membran 808', der oberen Membranplatte 836' und der unteren Membranplatte 838' durch unterbrochene Strichlinien in der 23 dargestellt. Durch die Bewegung dieser Bauteile wird der Ventilkopf 814 von der geschlossenen Position 826 weg bewegt, um zu ermöglichen, dass Abgas in die zentrale Kammer 822 gelangt. Der Betrag, um den der Ventilkopf 814 geöffnet oder von dem Ventilsitz aufgedrückt wird, entspricht dem Strom, der durch eine Spulenwicklung 850 in der Solenoidanordnung 802 fließt.
Die Ventilvorrichtung 800 ist vorzugsweise in einem Abgasrückströmsystem untergebracht durch Verbindung in einer Rückkopplungsschaltung ähnlich der, wie sie in 3 gezeigt ist. Beim Einbau wird die Solenoidanordnung 802 mit der Maschinensteuerung verbunden, so wie die Steuerung 50 in 3 schematisch dargestellt ist. Die Motorsteuerung 50 steht in elektrischer Verbindung mit dem Ventilsensor 849, um die Position des Ankers 845 anzuzeigen und somit die Position des Ventilgliedes 806.
Die Solenoidanordnung 810 beinhaltet eine Stößelstange 842, welche umgeben ist durch und welche vertikal bewegbar ist innerhalb einer gewickelten Spule 850. Der Betrag des Stromes, der in der Spule 850 fließt, wird derart gesteuert, dass der Anker 845 axial das Ventilglied 814 in Richtung auf und weg vom Ventilsitz 832 über die Stößelstange 842 und das Ventilglied 806 hin- und herbewegt. Wenn die Spule 850 erregt ist, so drückt der Anker 804 in Richtung auf den Ventilkörper 812 gegen die Kraft der expandierenden Membran 802 und die Feder 844, das bewegbare Ventilglied 806 und den Ventilkopf 814 weg vom Ventilsitz 826. Wenn die Spule 850 nicht erregt ist, so liegt der Ventilkopf 826 des Ventilgliedes 806 dichtend gegen den Ventilsitz 832.
Das Abgas in der Kammer 822 wirkt auf die Endplatte 852 genauso wie auf den Ventilkopf 826 des Ventilgliedes 806, wodurch Druckkräfte erzeugt werden, die in entgegengesetzte Richtungen wirken. Diese Druckkräfte sind entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeglichen, wie es oben beschrieben wird und was wiederholt wird. Weiterhin beinhaltet die Ventilvorrichtung 800 andere Teile, die in den Figuren dargestellt, aber nicht besonders in Zusammenhang mit einer Ausgestaltung beschrieben sind, wobei diese jedoch die gleiche Funktion und Struktur aufweisen wie ähnliche Teile, die dargestellt und beschrieben sind in Verbindung mit anderen Ausgestaltungen.
Das zum Öffnen aufzustoßende Ventil der vorliegenden Erfindung liefert zuminderst einen Vorteil in einer Fehlfunktion beim Öffnungsvorgang der Ventile, wie es oben besprochen wurde. Dies tritt teilweise auf, da für den Fall, dass irgendein Teil dieser Ausgestaltung blockiert (beispielsweise der Schaft, die Membranhalterung usw.), so wird der Abgasdruck oder die Fließintensität natürlich das Ventil schließen. Die häufigste auftretende Ausfallart eines EGR Ventiles besteht darin, dass das Ventil geschlossen wird um sicherzustellen, dass der Motor nicht abgewürgt wird oder durch überschüssigen Abgasstrom heiß läuft. Weiterhin hilft die Positionierung der Membran 808 unterhalb der Solenoidanordnung 802, den Betrag der Abgasverunreinigung in dem Solenoid- und Sensorbereich zu vermindern. Dies trägt ebenso dazu bei, jegliche hohe Temperatur an der Spule und dem Sensorbereich zu vermindern oder zu verhindern. Dies bedeutet insbesondere einen Vorteil in Bezug auf Dieselmotoren, welche allgemein bekannt sind für große Mengen von Kohlenstoffablagerungen, womit jede Verminderung von Kohlenstoff eine wesentliche Verbesserung bedeutet.
Ein anderer Unterschied zwischen dieser Ausgestaltung und den vorherigen Ausgestaltungen besteht in der Reihengusskonstruktion. Mit einem Reihengussgehäuse wird die Ladeluft von dem Zwischenkühler durch die Einlassöffnung 818 direkt zu dem Ventilglied 806 fließen können. Dies ermöglicht, dass das Ventil von einem kühleren Medium durchströmt ist und wirkt mit, dass das Solenoid und ebenfalls das Abgas gekühlt werden. Weiterhin hilft der gewünschte Luftstrom mit bei der direkten Aufladung der Ladeluft durch das Abgas, womit der Betrag der Verunreinigung des Schaftes und des Lagerbereiches vermindert wird. Alternativ kann dieser Typ von Gussform ebenso hergestellt werden, indem er den Motoreinlasskrümmer mit beinhaltet und alternativ den Zylinderkopf.
Die 24 bis 26 stellen eine EGR Ventilvorrichtung 900 dar. Die Ventilvorrichtung 900 beinhaltet einen Sensor 902, ein Sensorgehäuse 903, ein Sensorgehäuse 904 und eine Solenoidanordnung 906. Die Solenoidanordnung 906 ist an dem Ventilgehäuse 904 zum Betrieb eines bewegbaren Ventilgliedes 908 befestigt und das Sensorgehäuse 902 ist an der Solenoidanordnung 906 zur Erfassung und zur Steuerung der Bewegung des Ventilgliedes 908 angebracht. Das Ventilglied 908 beinhaltet eine Ventilstange 910 und einen Ventilkopf 912, dessen Bewegungen den Fluss des Abgases über die Ventilvorrichtung 900 steuern.
Aus der 26 ist ersichtlicht, dass das Ventilgehäuse 904 einen Abgaseinlassdurchgang 918 aufweist und einen Abgasauslassdurchgang 914. Der Abgaseinlassdurchgang 918 steht in Verbindung mit einer in dem Ventilgehäuse 904 platzierten zentralen Kammer 920, lediglich wenn das Solenoid erregt ist. Der Abgaseinlassdurchgang 918 schließt an einen Ventilsitz 922 an. Wenn der Ventilkopf 912 sich in der geschlossenen Position befindet, so steht er in Verbindung mit dem Ventilsitz 922 um zu verhindern, dass Abgas von dem Abgaseinlassdurchgang 918 in die zentrale Kammer 920 fließt. Der Abgasauslassdurchgang 914 steht ebenso in Verbindung mit der zentralen Kammer und trichtert das Abgas nach unten.
Im Betrieb bewegen sich die Ventilstangen 910 und der Ventilkopf 912 von der geschlossenen Position in unterschiedliche offene Positionen hin und her in Abhängigkeit von dem Betrag des Stromes, der der Solenoidanordnung 906 zugeführt wird.
Der Betrag des Stromes wird durch eine Steuerung 50 gesteuert, wie es in Verbindung mit 3 beschrieben wurde, was teilweise auf den Motorfunktionsbedingungen basiert. Die unterschiedlichen Positionen des Ventilkopfes 912 ermöglichen unterschiedliche Beträge zum Einlass von Abgas in die zentrale Kammer 920 über den Abgaseinlassdurchgang 918. Das in die zentrale Kammer 920 einströmende Abgas wird weiter nach außen transportiert durch den Abgasauslassdurchgang 914, um mit der Einlassluft stromabwärts gemischt zu werden und dann durch den Krümmer zu einem Zylinder, wie oben beschrieben, zu strömen.
Die Ventilstange 910 ist allgemein hohl ausgeführt, weist einen inneren Durchgang 923 auf und ist zumindest mit einer Öffnung an ihrem unteren Teil 924 versehen, wodurch Abgas in den inneren Durchgang 923 fließen kann. Das Abgas strömt durch den inneren Durchgang 923 der Ventilstange 910 und tritt durch eine Öffnung in dessen oberem Teil 926 und in die Verbindung mit einer Membran 928 aus. Das Abgas übt einen Druck auf die obere Oberfläche der Membran 928 aus, der gleich ist mit dem Druck der von der Bodenoberfläche auf den Ventilkopf 912 durch das Abgas ausgeübt wird, womit ein Gleichgewicht entsteht. Wie oben beschrieben wirken andere Drücke auf das Ventilglied 908, jedoch sämtliche Drücke und Vakuumkräfte sind ebenfalls ausgeglichen. Dies liefert ein stabiles Ventil 900, welches nicht aufgestoßen wird, wenn es geschlossen ist und keine Schwankungen von einer zu einer anderen ebenfalls offenen Position zeigt. Dadurch wird sichergestellt, dass ein genauer Betrag von Abgas in die zentrale Kammer 920 eingeleitet wird und der Motor wird problemlos funktionieren. Die Position der Ventilstange 910 und des Ventilkopfes 912 ist proportional zu dem Betrag von Strom in der gewickelten Spule 930. Ein Labyrinth 916 ist vorzugsweise in dem internen Durchgang 923 vorhanden. Das Labyrinth 916 trennt den unteren Teil 924 der Ventilstange 910 von dem oberen Teil 926. Das Labyrinth 910 dient ebenso dazu, die Tempe raturwechsel zwischen den beiden Teilen 924, 926 zu reduzieren.
Die gewickelte Spule 930 in dem Solenoidgehäuse 906 wird durch einen Spulenkörper 980 abgestützt, welcher seinerseits in Verbindung steht mit einem stählernen Induktionsrohr 982. Diese Elemente liegen rund um den Anker 932 und kapseln diesen ein und die Ventilstange 910 ohne dass irgendein Kontakt zwischen dem Induktionsrohr 982 und dem Anker 932 oder der Ventilstange 910 existiert. Der Anker 932 umgibt einen Teil der Ventilstange 910 während ein Polstück 984, welches an der Umhüllung des Ventilgehäuses 904 angebracht ist und durch ein ringförmiges Lager 936 abgestützt ist.
Die Ventilstange 910 ist in einem Gehäuserohrlager 934 in den Seitenwänden des Stahlindiktionsrohres 982 gleitend abgestützt. Ein ringförmiges Lager 936 ist ebenso an dem Ventilgehäuse 904 angebracht und umgibt und stützt den Anker 932 und somit die Ventilstange 910. Das ringförmige Lager 936 trägt dazu bei, dass der Anker 932 eine vertikale Hin- und Herbewegung ausführen kann und es wirkt ebenso als ein Positionsgeber für den Anker 932 relativ zu dem Stahlinduktionsrohr 982 und dem Polstück 984. Das Gehäuselager 934 und das ringförmige Lager 936 stellen sicher, dass die Ventilstange 910 und der Anker 932 sich vertikal relativ zum Ventilgehäuse 904 hin und her bewegen können und nicht axial versetzt werden. Diese Zusammenstellung garantiert, dass der Ventilkopf 912 ständig in einer Linie mit dem Ventilsitz 922 ausgerichtet ist, so dass das genaue Schließen des Ventiles bewirkt wird, wenn es notwendig ist. Ventile aus dem Stand der Technik erfordern komplexere und teurere Aufbauten, um ein genaues Schließen zu gewährleisten.
Die Anordnung der Ventilstange 910 in dem Ventilgehäuse 904 lässt eine Lücke 933 zwischen der äußeren Oberfläche des Ankers 932 und dem Induktionsrohr 982 offen. Der einzige Kontakt des Ankers 932 mit der Solenoidanordnung 906 ist am ringförmigen Ring 936 und die Ventilstange 910 hat lediglich Kontakt mit dem Gehäuselager 934. Es ist wichtig zu verhindern, dass der Magnetanker 932 Kontakt mit dem Induktionsrohr 982 bekommt und mit dem Polstück 984, während die Ventilstange 910 gut abgestützt wird und ein genauer Verschluss des Ventilkopfes 914 mit dem Ventilsitz 922 erfolgt.
Die gewickelte Spule 930 steht in elektrischer Verbindung mit dem Sensorgehäuse 903 und somit mit der Steuerung 50. Die Steuerung 50 bestimmt und steuert den Betrag an Strom, der der gewickelten Spule 930 zugeführt wird, womit veranlasst wird, dass Ventilstange 910 und Anker 932 eine Hin- und Herbewegung ausführen und der Ventilkopf 912 mit dem Ventilsitz 922 zusammenwirkt oder von diesem gelöst ist. Der Abstand des von dem Ventilsitz 922 weggezogenen Ventilkopfes 912 (der Betrag, um den das Ventil geöffnet ist) ist proportional dem Betrag des Stromes, der zur Spule 930 geliefert wird.
Wie in 26 gezeigt, ist die Membran 928 in einem Membrangehäuse 936 angeordnet innerhalb der Solenoidanordnung 906. Die Membran 928 ist umgeben von einer oberen Membranplatte 940, die allgemein auf der oberen Oberfläche der Membran 928 aufliegt und einer unteren Membranplatte 924, die allgemein auf der Bodenoberfläche der Membran 928 aufliegt. Die obere Membranplatte 940 steht in Verbindung mit einem Permanentmagneten 944. Der Permanentmagnet 944, welcher auf die Bewegung des Ankers 932 anspricht, bewegt sich hin und her.
Der Permanentmagnet 944 ist in dem Sensorgehäuse 903 in einem Schacht 988 positioniert. Wenn die Ventilstange 910 öffnet und nach oben wandert, wird der Permanentmagnet 944 ebenso nach oben bewegt. Anders herum wird, wenn das Ventil geschlossen wird, der Permanentmagnet 944 in Gegenrichtung nach unten bewegt. Die Position des Permanentmagneten 944 und somit des Ventiles wird erfasst, um eine eventuell notwendige Rückkopplung an das Ventil zu erreichen. Das Sensorgehäuse 903 weist eine obere Oberfläche 946 auf, ein Paar von seitlichen Oberflächen 948 und eine untere Oberfläche 950, welche an dem Solenoidgehäuse 906 durch Bolzen 931 oder ähnliches befestigt ist. Der Sensor 902, welcher vorzugsweise ein Hallsensor ist oder ein induktiver Sensor, wie es bereits oben besprochen wurde, wird an eine der seitlichen Oberflächen 948 des Sensorgehäuses 903 angebracht. Alternativ kann der Sensor 902 ebenso in dem Schacht 988 angebracht sein, um die Position des Permanentmagneten 944 zu erfassen. Dies ist so zu verstehen, dass jeder kommerziell verfügbare Sensor einsetzbar ist.
Das Sensorgehäuse 903 weist einen inneren Kanal 953 auf, in dem der Permanentmagnet 944 vertikal hin und her wandert. Die Bewegung des Permanentmagneten 944 wird durch eine Feder (nicht dargestellt) begrenzt, die zwischen der oberen Oberfläche 946 des Sensorgehäuses 903 und dem Permanentmagneten 944 positioniert ist. Zusätzlich ermöglicht ein Paar von Durchgängen 952, dass Abgas von der Membrankammer 939 hindurch fließt und Kontakt bekommt mit der oberen Oberfläche 954 des Dauermagneten 944. Somit ist auch der Dauermagnet 944 druckausgeglichen, um weiterhin den Druck im Gleichgewicht zu halten und irgendwelche ungewollten unterschiedlichen Bewegungen der Ventilstange 910 und des Ventilkopfes 912 zu begrenzen.
Das Ventilgehäuse 904 weist ebenso vorzugsweise zumindest eine Fluidrohrleitung für den Wärmetransport dazwischen auf. Wie in 26 gezeigt, tritt eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser durch eine Einlassrohrleitung in einen Fluidringspalt in einer ersten Position 956 ein, welche zum Wärmetransport mit dem Abgas in der zentralen Kammer 920 vorhanden ist. Das Abgas wird gekühlt und das entsprechend wärmere Fluid tritt durch eine Auslassrohrleitung in Verbindung mit dem Fluidringspalt an einer zweiten Position 958 aus. Der Fluidringspalt trägt dazu bei, das Abgas kühl zu behalten und hilft, dass die Ventilvorrichtung 900 nicht überhitzt wird.
27 zeigt ein EGR Ventil 999. Im Gegensatz zu einem früheren EGR Ventil 900, in dem das Ventilgehäuse eine Bodenoberfläche 970 aufweist, die in Bezug auf die obere Oberfläche 972 angewinkelt ist, ist die Bodenoberfläche des EGR Ventiles 999 parallel zu der oberen Oberfläche 972 ausgerichtet, was die Anbringung an verschiedenen Motoren oder an unterschiedlichen Positionen am gleichen Motor ermöglicht. Somit ist das EGR Ventil der vorliegenden Erfindung modular aufgebaut und kann in fast sämtliche Motoren eingebaut werden unabhängig von seiner Gestalt oder seiner Zusammensetzung.
Das heißt, dass das solenoidbetätigte Ventil in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, insbesondere in solchen, in denen das Gewicht ein wesentlicher Faktor ist. Beispielsweise kann das Gewicht eines EGR Ventiles vermindert werden um ca. drei Pfund auf ein Pfund, indem die Solenoidanordnung der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Zusätzlich kann der Solenoidstrom für die Funktionsanforderungen von 3,0 Ampere auf ungefähr 1 Ampere reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen und Kalibrieren einer Solenoidventilanordnung, bei welchem: ein Anker (520) mit einer Wicklung und einem Teller in ein Gehäuse gleitend eingesetzt werden, um eine Solenoid-Montagegruppe zu bilden; ein Lagesensor (546) in das Gehäuse montiert wird; die Montagegruppe (504) in eine Prüfkammer eingesetzt wird; der Lagesensor (546) kalibriert wird, um die Lage des Tellers abzutasten, indem a) die Wicklung (506) bis zum maximal erforderlichen Tellerhub erregt und sichergestellt wird, dass der Teller sich in einer voll geöffneten Lage befindet; und b) die Wicklung (506) auf einen Zustand mit dem Tellerhub Null entregt und sichergestellt wird, dass sich der Teller in einer geschlossenen Lage anliegend am Ventilsitz befindet; und die kalibrierte Montagegruppe (504) an einem Basisventilgehäuse befestigt wird, welches zur Montage an einer Kraftmaschine geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem: ein Einsatz (524) vor dem Kalibrieren des Lagesensors auf die Außenseite des Gehäuses umgefalzt wird.