-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerventil zum Einsatz
in einem Innenverbrennungsmotor und insbesondere auf ein Ventil
zur Abgasrückführung (EGR)
mit einem steuer- oder regelbaren Durchflußquerschnitt, der sich mit
dem Ventilhub verändert.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Ventil
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Verbesserungen
bei Ventilkonstruktionen, die in Innenverbrennungsmotoren zur Steuerung
verschiedener Funktionen des Motors eingesetzt werden und die Motorleistung
verbessern, werden seit vielen Jahren vorgenommen. Die Suche nach
einem Innenverbrennungsmotor mit einem optimalen Wirkungsgrad ist
auch seit langem Gegenstand von Überlegungen
von Motorenherstellern. Durch Verbesserungen in der Funktionalität und Konstruktion von
Ventilen sind Motorenhersteller in der Lage, viele Probleme zu lösen, die
bei ihren Kunden auftreten, und können im Markt wettbewerbsfähig bleiben.
-
Ein
Mittel für
Motorleistung, dem in den letzten Jahren Aufmerksamkeit gewidmet
wurde, ist die Abgasrückführung, insbesondere
beim Dieselmotor. Bei einem Dieselmotor wird üblicherweise ein Überschuß an Luft
in den Verbrennungsraum eingebracht. Deshalb muß bei einem Dieselmotor der
Vorgang der Abgasrückführung im
Verhältnis
zum Überschuß gesteuert
werden. Da die Menge an Überschußluft in Übereinstimmung
mit bzw. Abhängigkeit
von der Motorbelastung abnimmt, wäre es erwünscht, eine Ventilvorrichtung
zu konstruieren, welche die Menge an Gas und Luft, die dem Motor
zugeführt
wird, in der Weise regelt, daß die
Menge an rückgeführtem Abgas,
die in den Motoreinlaßdurchgang
eingebracht wird, abnimmt, während
die Menge an Ansaugluft, die dem Motor zugeführt wird, in Übereinstimmung mit
bzw. Abhängigkeit
von der Motorbelastung zunimmt. Um die Abgasrückführung effizient zu steuern,
muß das
Verhältnis
zwischen der Belastung des Motors und dem Quotient aus der rückgeführten Abgasmenge
und der Gesamtmenge an Fluid, das dem Motor zugeführt wird,
bestimmt werden.
-
Es
gibt verschiedene Arten von Ventilkonstruktionen, die geometrisch
geformte Öffnungen
zur Steuerung der Fluidströmung
verwenden, um gewünschte
Eigenschaften von Motorbetriebszuständen zu erzielen. Eine Druckschrift,
die eine solche Konstruktion offenbart, ist die
US 4,154,263 A . Diese Druckschrift
offen bart ein Steuerventil mit einem beweglichen Ventilelement in
einem zylindrischen Gehäuse
mit dreieckig geformten Öffnungen,
um Fluidfluß in
Abhängigkeit
von der relativen Stellung des Ventilelements variabel zu steuern.
Die Öffnungen können eine
Vielzahl von Formen aufweisen, um die gewünschten Flußeigenschaften in Bezug auf
die Schaftbewegung zu erzielen. Die Konstruktion dieses Ventils
umfaßt
jedoch Öffnungen
an der stromaufwärts
gelegenen Seite des Ventils, die die effektive Regelbarkeit vom
Fluidfluß verringern.
Zusätzlich weist
das Ventilelement eine Spulen- bzw. Rollenventilanordnung auf, die
häufig
keine angemessene Abdichtung zwischen dem beweglichen lichten Abstand
des Ventilelements und dem Gehäuse
ermöglicht.
Die Spulenventilanordnung besteht zudem aus vielen Teilen, ist teuer
in der Herstellung und ist dadurch bei vielen Anwendungen unerwünscht.
-
Zwei
Druckschriften, die eine Verbesserung bei der vorgenannten Konstruktion
in bezug auf die Verbesserung der Flußeigenschaften offenbaren, sind
die
US 5,205,537 A und
die
US 5,368,276 A . Diese
Druckschriften offenbaren eine Steuerventilanordnung, die ein Steuerventilelement
und eine Flußöffnung oder
ein Mundloch mit einem variablen Querschnitt (z. B. mit einem tropfenförmigen oder
mit einem eiförmigen
Querschnitt) umfaßt.
Eine Bewegung des Ventilelements verändert den auf der Form der Flußöffnung beruhenden
Flußquerschnittsbereich, um
eine Vergrößerung des
Querschnitts und der Flußreichweite
bereitzustellen. Diese Ventilanordnungen sind jedoch Spulenventilkonstruktionen,
die teuer in der Herstellung sind und keine ausreichende Dichtigkeit
bei hohen Drücken
bewirken. Zusätzlich ist
die Flußöffnung im
Ventilelement anstatt im Ventilkörper
ausgebildet, wodurch auch Herstellungs- und Reparaturkosten ansteigen.
Ferner sind diese Ventile dazu gedacht, den Fluß von partikelförmigen Festkörpern und
nicht von gasförmigen
Fluiden zu steuern, die von einem Innenverbrennungsmotor erzeugt werden.
-
Die
US 4,237,837 A offenbart
ein Steuerventil für
die Abgasrückführung für einen
Dieselmotor, das konstruiert wurde, um eine niedrige Anstiegsrate im
Abgasflußquerschnitt
zu erreichen, wenn das Ventil aus seiner vollständig geschlossenen Stellung geöffnet wird.
Offenbart ist eine komplexe Ventilkonstruktion, die viele Teile
für die
reine Betätigung
des Ventilelements aufweist. Zusätzlich
stellt dieses Ventil stromabwärts
keine Auslaßöffnung in
einem Ventilhohlraum bereit, die für eine wirksame Steuerung von Flußeigenschaften
wünschenswert
ist.
-
Die
WO 95/19497 A1, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung
bildet, offenbart ein solenoid-betätigtes Abgasrückführungsventil.
Das Ventil weist ein Ventilelement auf mit einem Ventilkopf in der
Form eines Tellers. Der Ventilkopf arbeitet mit einem Ventilsitz
zusammen, der in einem Ventilbauelement ausgebildet ist, welches
in einem Ventilkörper
montiert ist. Das Ventilbauelement bildet aufgrund seiner Kegelstumpfform
ein flußveränderndes Mittel.
-
Die
FR 2 690 714 A1 bezieht
sich auf ein ähnliches
Gasrückführungsventil.
Ein Ventilbauelement, das einen Ventilsitz für eine Ventilelement bildet,
ist mit einem Ventilgehäuse
verbunden.
-
Unter
Berücksichtigung
des vorstehend dargelegten Standes der Technik ist es offenkundig,
daß die
herstellende Industrie noch ein einfaches, preiswertes und kompaktes
Ventil mit verbesserten Flußregelmerkmalen
entwickeln muß,
um wirkungsvoll den Fluidfluß durch
dieses hindurch zu steuern.
-
Mit
Blick auf das Vorstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Flußsteuerventil
bereitzustellen, das genutzt werden kann, um wirkungsvoll Eigenschaften
von EGR-Fluß in
einem Innenverbrennungsmotor zu steuern, wobei das Ventil vorzugsweise
kompakt und preiswert herzustellen ist und wobei das Ventil insbesondere
leicht an jeweilige Anforderungen angepaßt werden kann.
-
Die
obige Aufgabe wird durch ein Ventil gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Es
ist auch ein Ziel der vorstehenden Erfindung, ferner ein Flußsteuerventil
bereitzustellen, das wirkungsvoll den Grad regelt, bis zu welchem NOx-Emissionen und andere Eigenschaften bzw. Kennwerte
verringert oder beeinflußt
werden.
-
Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Flußsteuerventil
bereitzustellen, das ein Tellerventil umfaßt, das in einer Durchflußpassage
beweglich ist, um den Flußquerschnitt
der Durchflußpassage
zu verändern
und wirksam zu steuern.
-
Es
ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Flußsteuerventil
bereitzustellen, das auswechselbare Einsätze mit unterschiedlichen flußverändernden
Eigenschaften umfaßt.
-
Es
ist auch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Flußsteuerventil
für Anwendungen
bereitzustellen, die ein schnelles anfängliches Öffnen und eine Feinregulierung
bei höheren
Ventilhüben
erfordern.
-
Es
ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Flußsteuerventil
für Anwendungen
bereitzustellen, die ein langsameres anfängliches Öffnen und eine Feinregulierung
bei niedrigeren Ventilhüben
erfordern.
-
Diese
sowie auch andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden vorzugsweise erreicht durch ein Flußsteuerventil, um den Fluß gasförmiger Fluide
zu steuern. Das Ventil umfaßt
ein Ventilgehäuse
mit einem Hohlraum, einer Einlaßöffnung bzw.
einem Einlaß,
einer Auslaßöffnung bzw. einem
Auslaß und
einem in dem Hohlraum angeordneten Tellerventil, das ein wechselweise
montiertes Ventilelement und einen Ventilsitz umfaßt. Das
Tellerventil ist beweglich zwischen einer offenen Stellung, in der
das Ventilelement in einem räumlichen
Abstand von dem Ventilsitz angeordnet ist, um einen Fluidfluß durch
den Hohlraum zu ermöglichen,
und einer geschlossenen Stellung, in der das Ventilelement mit dem
Ventilsitz in Eingriff ist, um Fluß durch den Hohlraum zu blockieren.
Das Ventilelement umfaßt
ferner ein Mittel zur Flußveränderung,
das in dem Hohlraum angrenzend an das Ventilelement angeordnet ist,
um die Flußrate
gasförmiger
Fluide von der Einlaßöffnung zu
der Auslaßöffnung während der Bewegung
des Tellerventils zu steuern. Das Mittel zur Flußveränderung umfaßt einen
auswechselbaren Einsatz und eine in dem Einsatz ausgebildeten Durchflußöffnung bzw.
einen Durchlaß,
in dem die Bewegung des Ventilelements von der geschlossenen zu
der offenen Stellung den wirksamen Durchflußquerschnitt der Durchflußöffnung verändert.
-
An
dem Ventilgehäuse
befestigt ist eine integrierte Federsitzkappe, die ein Federmittel
einschließt
und eine positive Kraft auf das Ventilelement ausübt, um eine
Abdichtung zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilsitz beizubehalten.
Das Flußsteuerventil
weist ferner ein Abtastmittel auf, das starr an der integrierten
Federsitzkappe befestigt ist. Zusätzlich umfaßt das Flußsteuerventil entweder einen
mit Öffnungen
versehenen Einsatz oder einen kegelförmigen Einsatz, der an das
zylindrische Gehäuse
angrenzend angebracht ist, wobei beide Einsätze eine zylindrische Form
haben. Der mit Öffnungen
versehenen Einsatz umfaßt
kreisförmige Öffnungen,
die in der Wand des Einsatzes ausgeformt und axial ausgerichtet
sind mit der Auslaßpassage,
damit Fluide dadurch fließen
können.
Die flußverändernde
Oberfläche
hat eine festgelegte Form, so daß eine Bewegung des Ventilelements
entlang der flußverändernden
Oberfläche
die effektive Flußquerschnittsfläche der
Durchflußöffnung verändert, um
so eine festgelegte Flußrate
zu erreichen.
-
Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung detaillierter in Bezug auf die in
den Zeichnungen gezeigten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
-
1a ist
eine partielle Schnittdarstellung eines Abgasrückführungs-(EGR)-ventils mit einem Radiallocheinsatz
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
1b ist
eine Seitenansicht des Radiallocheinsatzes der bevorzugten Ausführungsform
bei 1b-1b von 1a;
-
2 ist
eine Darstellung in aufgelösten
Einzelteilen eines relativ zu einem RadiallochEinsatz angeordneten
Ventilschafts gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den 1a und 1b gezeigt
wird;
-
3 ist
eine partielle Schnittdarstellung eines EGR-Ventils mit einem konischen
Einsatz gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
4 ist
eine Darstellung in aufgelösten
Einzelteilen eines Ventilschafts, der relativ zu einem konischen
Einsatz angeordnet ist, gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
5 ist
eine grafische Darstellung des EGR-Ventilhubs in Prozent bezogen
auf den wirksamen Durchflußquerschnitt
eines EGR-Ventils in Prozent für
den RadiallochEinsatz und für
den konischen Einsatz der vorliegenden Erfindung;
-
6 ist
eine grafische Darstellung eines EGR-Ventildurchflußquerschnitts
in Prozent bezogen auf den Ventilhub in Prozent für eine Reihe
von konischen Einsatzkonstruktionen; und
-
7 ist
eine grafische Darstellung eines EGR-Ventildurchflußquerschnitts
in Prozent bezogen auf den Ventilhub in Prozent für eine Reihe
von konischen Einsatzkonstruktionen, bei denen der kleinste Durchmesser
des Konus etwas größer ist
als der Durchmesser des Tellerkopfs und der in 6 gezeigten
Einsätze.
-
Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Ventil zur Abgasrückführung (EGR)
für einen
Innenverbrennungsmotor gerichtet, welches eine verbesserte EGR-Flußsteuerung
erbringt. Die bevorzugte Ausführungsform
umfaßt
ein hin und her bewegbar eingebautes, tellerartiges Ventil, um bei
unterschiedlichen Bedingungen eine optimale EGR-Flußsteuerung
zu erbringen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einem Anwender, die
Input/Output-Eigenschaften des EGR-Ventils speziell für die Anforderungen eines
besonderen Systems zu bemessen. In diesem Zusammenhang bedeutet "Input" des Tellerventiltyps seine
lineare Bewegung oder sein Hub, während "Output" die Größe des wirksamen Durchflußquerschnitts
durch das Ventil bei einer vorgegebenen Stellung bedeutet. Der wirksame
Durchflußquerschnitt
des Ventils beeinflußt
direkt die Flußrate
des EGR-Ventils und daher den Grad, bis zu dem NOx-Emissionen
verringert werden, und andere Eigenschaften, wie Partikelemissionen
und Kraftstoffeinsparung, werden positiv beeinflußt.
-
Unter
Bezugnahme auf die Zeichnung werden jetzt die bevorzugten Ausführungsformen
im einzelnen erläutert.
Der Aufbau der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 1-4 beschrieben
und ihre Eigenschaften während
des Betriebs werden unter Verwendung der in den 5-7 veranschaulichten
grafischen Daten erläutert.
-
1a veranschaulicht
ein EGR-Ventil 1 gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das EGR-Ventil 1 umfaßt ein Ventilgehäuse 2,
das einen oberen Teil 5 umfaßt, der einen oberen Hohlraum 12 bildet,
und einen unteren Teil 7, der mit dem oberen Teil 5 in
herkömmlicher Weise
verbunden ist. Der untere Teil 7 umfaßt einen unteren Hohlraum 11 und
eine zylindrische Bohrung 8, die in einem Kragenteil 9 ausgebildet
ist, und die sich zwischen dem oberen Hohlraum 12 und dem
unteren Hohlraum 11 erstreckt. Der untere Teil 7 umfaßt auch
eine Einlaßöffnung 4 und
eine Auslaßöffnung 6, die
gasförmigen
Fluiden ermöglicht,
in den unteren Hohlraum 11 hinein- und aus ihm herauszuströmen. In
einer bevorzugten Ausführungsform
strömen
gasförmige
Fluide von der Einlaßöffnung 4 zur
Auslaßöffnung 6,
jedoch können
in einer alternativen Ausführungsform
die Einlaß-
und Auslaßöffnungen
umgekehrt werden, so daß Fluid,
wie in 1a gezeigt, von der Auslaßöffnung 6 zur
Einlaßöffnung 4 fließt. Obwohl
das Flußmuster
der bevorzugten Ausführungsform
hierin mit Blick auf die vorliegende Erfindung diskutiert wird,
sollte ein Fachmann erkennen, daß das vorstehend beschriebene
Flußmuster
der alternativen Ausführungsform
im Bereich dieser Erfindung liegt, und in besonderen Anwendungen
in Abhängigkeit
von den gewünschten
Flußeigenschaften von
EGR-Ventil 1 bevorzugt werden kann.
-
Das
Ventilgehäuse 2 umfaßt einen
Gegenflansch 13 mit einer dazwischen angeordneten Ventildichtung 15.
Die Ventildichtung 15 wird zwischen dem Ventilgehäuse 2 und
dem Gegenflansch 13 zusammengedrückt, um eine wirkungsvolle
Abdichtung zu bilden zur Verhinderung von Fluidleckage bei hohen
Motordrücken.
Fluidleckage während
des Motorbetriebs kann in unerwünschter
Weise Wirkungsgrad und Leistung des Motors beeinflußen. Der
Gegenflansch 13 ist an einer äußeren Struktur (nicht dargestellt)
in herkömmlicher
Weise angebracht und hat in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Ringform.
Ein Mittelloch 19 in dem Gegenflansch 13 leitet
einen Fluidfluß in
die Einlaßöffnung 4.
Ein ringförmiger
Teil der oberen Oberfläche
von Gegenflansch 13, der angrenzend an die Einlaßöffnung 4 angeordnet
ist, bildet einen Ventilsitz 21 aus.
-
Das
EGR-Ventil 1 umfaßt
ferner ein Ventilelement 10, das wechselweise im oberen
Hohlraum 12 angebracht ist. Das Ventilelement 10 umfaßt einen Ventilschaft 33,
der sich durch den Kragenteil 9 und in den unteren Hohlraum 11 erstreckt,
und einen Ventilkopf 40, der in dem unteren Teil des Ventilschafts 33 ausgebildet
ist. Der Ventilkopf 40 ist scheibenförmig und kann aus dem gleichen
Material wie der Ventilschaft 33 hergestellt sein. Das
Ventilelement ist beweglich zwischen einer offenen Stellung, in
der der Ventilkopf 40, wie in 1a gezeigt,
in einem räumlichen
Abstand von dem Ventilsitz 21 angeordnet ist, um dem Fluid
zu ermöglichen,
durch den unteren Hohlraum 11 zu fließen, und einer geschlossenen Stellung,
in der das Ventilelement 10 in Eingriff ist mit dem Ventilsitz 21,
um den Fluß durch
den unteren Hohlraum 11 zu blockieren.
-
Der
obere Teil 5 des Ventilgehäuses 2 umfaßt eine
integrierte Federsitzkappe 14, die starr am unteren Teil 7 angebracht
ist, zur Ausbildung eines oberen Hohlraums 12. Eine Dichtung 16 ist
zwischen der integrierten Federsitzkappe 14 und dem Ventilgehäuse 2 zusammengedrückt, um
eine Abdichtung zu bewirken zur Verhinderung von Fluidleckage aus dem
Ventilgehäuse 2.
Der obere Teil von Ventilelement 10 ist im oberen Hohlraum 12 auf
solche Art angebracht, die nur eine hin- und hergehende lineare Bewegung
erlaubt. Das Ventilelement 10 ist an einem Kolben 20 und
an einer Rückhaltenuß 22 angebracht, die
mit dem Ventilelement 10 während der Bewegung des Ventils
von einer geschlossenen zu einer offenen Stellung hin- und hergeht.
Auch umfaßt
der obere Hohlraum 12 eine Feder 18, die in dem
oberen Hohlraum 12 axial angeordnet ist. Die integrierte
Federsitzkappe 14 umfaßt
einen ausgesparten Teil 23 zur Aufnahme der Feder 18 an
einem Ende. Der Kolben 20 umfaßt eine ringförmige Wand 17 zur
Bildung einer Tassenform, die es ermöglicht, daß das andere Ende der Feder 18 sicher
in seinem inneren Hohlraum 31 in ein Drucklager paßt. Wenn
die Feder 18 zusammengedrückt wird, wirkt die ringförmige Wand 17 von
Kolben 20 als federnder Anschlag gegen die integrierte
Federsitzkappe 14, um dem Ventilelement 10 zu
erlauben, sich nur über
eine festgelegte Distanz zu bewegen, wenn es in die offene Stellung geht.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das EGR-Ventil 1 durch Luftdruck betätigt, der
ein Diaphragma 29 bewegt, das an Dichtung 16 und
Kolben 20 zwischen einer ersten und zweiten Stellung befestigt
ist. Damit sich das Ventilelement 10 von einer geschlossenen
Stellung zu einer offenen Stellung bewegen kann, um die Fluidflußrate zu
steuern, wird Luftdruck in eine Öffnung 25 geleitet,
die in dem Ventilgehäuse 2 ausgeformt
ist, wodurch ein Druck gegen den Boden des Diaphragma 29 ausgeübt wird,
der ausreicht, die Widerstandskraft der Feder 18 zu überwinden.
Wenn der Druck der Luft ansteigt, bewegen sich das Diaphragma 29 und
der Kolben 20 aufwärts
in Richtung der integrierten Federsitzkappe 14. Um das
Ventilelement 10 in eine geschlossene Stellung zu bewegen, wird
der Druck der Luft, der das Diaphragma nach oben drückt, durch
die Öffnung 25 abgeleitet.
An diesem Punkt ist die Widerstandskraft der Feder 18 ausreichend,
um den Kolben 20 nach unten zu drücken, bis das Ventilelement 10 mit
dem Ventilsitz 21 in Eingriff ist. Bei bestimmten Ausführungsformen,
wie z.B. bei der in 4b gezeigten Ventilanordnung,
spannt die Feder das Ventilelement vor, so daß die hintere Oberfläche des
Ventilkopfs aufsitzt und das Ventil in einer geschlossenen Stellung
abdichtet. Bei dieser Ausführungsform
wird das Ventil geöffnet,
indem das Ventilelement nach unten, von dem Ventilsitz weg, in Bewegung
gesetzt wird. Ein Fachmann sollte erkennen, daß jedes Bewegungsmittel (z.B.
Elektromagnet, Hydraulik etc.) bei dieser Erfindung verwendet werden
kann, um eine reziproke Bewegung des Ventilelements 10 zu
steuern.
-
Die
integrierte bzw. einstückige
Federsitzkappe 14 umfaßt
an ihrem obersten Ende eine Öffnung 24 zur
Aufnahme eines linearen Positionssensors 26, der als Potentiometer
dient, oder eines ähnlichen
Typs eines linearen Positionssensors für das EGR-Ventil 1.
Der Sensor 26 ist durch ein Gewinde verbunden mit der integrierten
Federsitzkappe 14 und stößt an die Rückhaltenuß 22, die auch als
Positionssensorkontakt dient, über
die Verlängerung 27, hin-
und hergehend befestigt an der Basis des linearen Positionssensors 26.
Die Rückhaltenuß 22 ist
direkt oberhalb von Kolben 20 angeordnet und mit dem oberen
Teil des Ventilelements 10 in konventioneller Weise verbunden.
-
Der
lineare Positionssensor 26 registriert während des
Betriebs von EGR-Ventil 1 die Bewegung von Ventilelement 10,
um seine Bewegung und Stellung relativ zum Ventilsitz 21 zu
verfolgen. Diese Daten sind nützlich,
um festzustellen, ob das EGR-Ventil 1 in einem offenen
oder geschlossenen Zustand ist und sind auch wesentlich bei der
Berechnung des Ventilhubs, um die gewünschten Flußeigenschaften der Ventilanordnung
zu erzielen. Wenn z.B. lineare Flußeigenschaften gewünscht sind,
kann der Ventilschaft einen Hub von 25% haben (verglichen mit einem
maximalen Hub von 100%) zur Erzielung einer Flußfläche von 25% (verglichen mit
einer maximalen Flußfläche von
100%). Durch Steuern des Hubs oder der Stellung von Ventilelement 10, kann
das EGR-Ventil 1 genau die Rate gasförmigen Fluids steuern, das
von der Einlaßöffnung 4 und durch
die Auslaßöffnung 6 fließen kann.
Die Stellung des Ventilelements 10 wird durch die Bewegung
des Diaphragma 29 geregelt, die im Zeitablauf wiederholbar
ist, so daß das
Ventil dadurch ein wiederholbares Regelschema beibehalten kann.
-
Das
EGR-Ventil 1 umfaßt
ferner ein Flußveränderungsmittel 35,
das einen Einsatz 36 mit einem Durchlaß 28 umfaßt, um den
Fluß gasförmiger Fluide von
der Einlaßöffnung 4 zu
der Auslaßöffnung 6 zu ermöglichen.
Der Einsatz 36 ist ein zylindrisch geformtes Bauteil, das
in einem unteren Hohlraum 11 durch eine Gleitpassung gesichert
ist und das angrenzend an das Ventilelement 10 angeordnet
ist. Um zu verhindern, daß sich
der Einsatz 36 in dem unteren Hohlraum 11 dreht,
kann eine Stellschraube zur Sicherung von Einsatz 36 in
dem Ventilgehäuse 2 verwendet
werden. Bei Einsatzkonstruktionen, die zur Steuerung der Fluidflußrate auf
sauberer Ausrichtung der Öffnung
mit der Auslaßöffnung 6 beruhen,
wäre eine
Stellschraube oder ein ähnliches
Befestigungsmittel notwendig.
-
Der
Einsatz 36 kann aus dem Ventilgehäuse 2 entfernt werden
und kann verschiedene geometrische Formen und Flußöffnungen
haben, um ein breites Spektrum von geregelten Flußkonfigurationen durch
das EGR-Ventil 1 zu erschaffen. Der Einsatz 36 umfaßt eine
erste Öffnung 37,
die angrenzend an die Einlaßöffnung 4 des
Ventilgehäuses 2 angeordnet
ist, und eine zweite Öffnung 39,
die der ersten Öffnung 37 gegenüberliegt,
und dadurch den Flußweg 28 dazwischen
definiert. Wie in 1b dargestellt, umfaßt in einer
bevorzugten Ausführungsform der
Einsatz 36 zwei in der Wand von Einsatz 36 ausgeformte Öffnungen 38.
In dieser Ausführungsform haben
die Öffnungen
eine ringförmige
Gestalt. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann der Einsatz,
wie nachfolgend mehr im einzelnen erläutert, eine kegelförmige innere
Wand haben, oder noch anders geformte Öffnungen in der Wand des Einsatzes.
Zusätzlich
kann der Einsatz eine oder mehrere Öffnungen haben, die im Einsatz
entlang einer ähnlichen
Radialebene angeordnet sind, oder entlang unterschiedlicher Ebenen,
in Abhängigkeit von
den Flußeigenschaften,
die vom EGR-Ventil 1 gewünscht sind.
-
Der
Ventilkopf 40 bewegt sich innerhalb des radialen Umfangs
des Einsatzes 36, wie in 1a klar
dargestellt wurde. Der Ventilkopf 40 bildet eine enge Gleitpassung
mit der inneren Wand von Einsatz 36, um eine Gleitdichtung
zu bilden, wenn sich das Ventilelement 10 innerhalb des
Durchlasses 28 bewegt, und um dadurch einen Fluidfluß von der
ersten Öffnung 37 durch
die zweite Öffnung 39 zu
verhindern. Die Blockade von Fluid, das durch die zweite Öffnung des
Einsatzes fließt,
zwingt das Fluid, durch einen effektiven Querschnittsbereich der
in Einsatz 36 ausgeformten Öffnungen zu fließen, in
Abhängigkeit
von der Stellung von Ventilelement 10. Wenn sich das Ventilelement 10 in
Richtung einer offenen Stellung anhebt, dann gibt der Ventilkopf 40 schrittweise
einen größeren Teil
der Öffnungen 38 frei,
um schrittweise den effektiven Durchflußquerschnitt der Öffnungen 38 in
einer vorgegebenen Rate zu erhöhen.
-
Die
Form und die Stellung der Öffnungen 38 sind
entscheidend für
das Steuern der Rate, in welcher der effektive Durchflußquerschnitt
der Öffnungen 38 zunimmt.
Herkömmliche
Tellerventile haben in Hinblick auf den effektiven Durchflußquerschnitt eine
Neigung, während
der ersten Phase der Bewegung des Ventilkopfs schnell zu öffnen, d.h.
wenn der Ventilkopf beginnt, sich vom Ventilsitz wegzubewegen, dem
Fluid zu ermöglichen,
dazwischen hindurch zu fließen.
Folglich fällt
die Rate in dem Maß,
in dem der effektive Durchflußquerschnitt
mit dem Hub zunimmt. Die vorliegende Erfindung verwendet Öffnungsgeometrien
und eine Stellung zur Steuerung der Rate, in der der effektive Durchflußquerschnitt
mit dem Ventilhub zunimmt. 1b zeigt
den Einsatz 36 mit zwei Öffnungen, die aneinander grenzen.
Dennoch kann der Einsatz 36 mit größeren oder kleineren Öffnungen
konstruiert sein, oder mit Öffnungen mit
unterschiedlichen Formen im Einsatz. Das bedeutet im Ergebnis, daß die Größe der Öffnungen und
ihre Stellung verändert
werden kann, um die gewünschte
Steuerung der Flußrate
zu erzielen.
-
2 zeigt
eine Darstellung in aufgelösten Einzelteilen
des Ventilkopfs 40 in bezug auf Einsatz 36 und
die Öffnungen 38.
Wie in dieser Figur gezeigt, verändert
der Ventilkopf 40 während
seiner Bewegung in Aufwärtsrichtung
quer über
jede der beiden Öffnungen 38 die
Flußfläch 42 von
jeder der zwei Öffnungen
wesentlich und in gleicher Weise. Die Form der Öffnungen 38 steuet
die Fluidmenge, die durch die Öffnungen
fließen
kann, während
der Ventilhub den wirksamen Durchflußquerschnitt regelt. Die kreisförmigen Öffnungen
von Einsatz 36 ermöglichen eine
Feinsteuerung während
der ersten Spanne der Ventilkopfbewegung, da nur die untersten Bodenabschnitte
der Öffnungen,
die eine kleine Flußfläch abgrenzen,
frei sind, um Fluidfluß durch
sie zu ermöglichen.
Wären die Öffnungen 38 viereckig
und der Ventilhub gleich dem bei den kreisförmigen Öffnungen, dann könnte aufgrund
des weiteren Flußbereichs
an seinem Bodenabschnitt mehr Fluid durch die viereckige Öffnung fließen, als
durch die kreisförmige Öffnung.
Daher erbringt in der Anfangsphase des Ventilkopfhubs eine kreisförmige Öffnung eine bessere
Steuerung der Flußrate
als z.B. eine viereckige Öffnung
oder ähnlich
geformte Öffnungen.
Die Flußeigenschaften
der Öffnungen,
die in den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind zeichnerisch dargestellt
in 5, auf die nachfolgend detaillierter eingegangen
wird.
-
3 zeigt
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die eine ähnliche Ventilanordnung umfaßt, wie
die in 1 gezeigte, wobei jedoch die
flußverändernde
Vorrichtung einen kegelförmigen
Einsatz 48 umfaßt,
der im unteren Hohlraum von Ventilgehäuse 2 angeordnet ist. Der
kegelförmige
Einsatz 48 ist dem mit Öffnungen versehenen
Einsatz 36 (dargestellt in 1)
insoweit ähnlich,
als daß beide
Einsätze
entfernbar und zylindrisch sind. Der kegelförmige Einsatz 48 kann
im Ventilgehäuse 2 ohne
die Notwendigkeit einer Stellschraube durch eine Gleitpassung gesichert
werden. Zusätzlich
ist der kegelförmige
Einsatz 48, wie der mit Öffnungen versehenen Einsatz 36,
stromabwärts von
dem Ventilsitz 21 angeordnet, um den Fluidstrom zwischen
der Einlaßöffnung 4 und
der Auslaßöffnung 6 zu
verändern.
Der kegelförmige
Einsatz 48 umfaßt eine
erste Öffnung 51,
um Fluid von der Einlaßöffnung 4 zu
empfangen und den Fluidfluß in
den Durchlaß 28 zu
leiten, und eine zweite Öffnung 53, die
stromabwärts
von der ersten Öffnung 51 angeordnet
ist, um den Fluidfluß zu
der Auslaßöffnung 6 zu
leiten. Der kegelförmige
Einsatz 48 unterscheidet sich von dem Einsatz 36 dadurch,
daß er
eine flußverändernde
Oberfläche 47 umfaßt, die
sich zwischen der ersten und der zweiten Öffnung ausdehnt. Die flußverändernde
Oberfläche 47 umgibt
den Ventilkopf 40 dann, wenn der Ventilkopf zwischen der ersten
und der zweiten Öffnung
angeordnet ist, um einen Flußweg
oder einen radialen Spalt in dem Durchlaß 28 zwischen der
flußverändernden
Oberfläche 47 und
dem Ventilkopf 40 abzugrenzen.
-
Die
flußverändernde
Oberfläche 47 hat
eine in der Weise festgelegte Form, daß die Bewegung des Ventilkopfs
entlang der flußverändernden
Oberfläche 47 in
Richtung auf eine offene Stellung den wirksamen Querschnitt des
Flußbereichs
des radialen Spalts des Durchlasses 28 verändert, um
eine festgelegte Zunahmerate der Flußrate des dort hindurchströmenden Fluids
zu erreichen.
-
Die
flußverändernde
Oberfläche 47 des
kegelförmigen
Einsatzes 48 umfaßt
eine kegelstumpfartige oder kegelartige Form. Indessen kann die
Form der flußverändernden
Oberfläche
verändert werden,
um die Menge an gasförmigem
Fluid zu vergrößern oder
zu verkleinern, das durch den radialen Spalt fließt. Wenn
z.B. eine vergrößerte Flußrate gewünscht wird,
selbst nachdem das Ventilelement an seiner maximalen Hubhöhe ist,
dann kann der größere Durchmesserabschnitt 49 des
kegelförmigen
Einsatzes 48 vergrößert werden,
um einem größeren Fluidvolumen
zu ermöglichen,
dort hindurch zu fließen.
-
4 zeigt
eine Darstellung in aufgelösten Einzelteilen
des Ventilkopfs 40 in Bezug auf die flußverändernde Oberfläche 47 des
kegelförmigen
Einsatzes 48, gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Diese Figur stellt einen axialen Spalt 52 zwischen
Ventilkopf 40 und Ventilsitz 21 (dargestellt in 1 und 3) und einen
radialen Spalt 54 zwischen der flußverändernden Oberfläche 47 und
den äußeren ringförmigen Kanten
von Ventilkopf 40 zur Steuerung gasförmigen Fluidstroms dar. Es
wird darauf hingewiesen, daß die
Abstände
in 4 nicht maßstäblich sind
und nur gezeigt wurden, um die Bedeutung von axialem und radialem Spalt
in der vorliegenden Erfindung zu umreißen.
-
Bezugnehmend
auf 4 vergrößert sich sowohl
der axiale Spalt 52 als auch der radiale Spalt 54,
wenn das Ventilelement 10 von dem Ventilsitz 21 gehoben
wird (dargestellt in den 1 und 3). Der
axiale Spalt 52 regelt den Fluß von gasförmigem Fluid während des
ersten Teils des Ventilschafthubs, während der radiale Spalt 54 den
Flußbereich
bei höheren
Hüben regelt,
die größer sind,
als der anfängliche
Hubbereich. Der Grad bzw. Umfang an Steuerung, wenn überhaupt
eine erfolgt, bei den axialen und radialen Spalten während des
Ventilbetriebs, wird in Abhängigkeit
von Größe und Form
der flußverändernden
Oberfläche 47 und
ihrer Stellung relativ zum Ventilkopf 40 variieren. Die
Unterschiede zwischen den verschiedenen Größen und Formen der flußverändernden
Oberfläche
werden detaillierter unter Bezug auf die 6 und 7 erörtert. Wenn sich
der Ventilkopf 40 an der flußverändernden Oberfläche 47 des
kegelförmigen
Einsatzes 48 in Richtung einer offenen Stellung entlang
bewegt, dann verändert
sich der wirksame Querschnittsbereich des Durchlasses 28,
um einen festgelegten Anstieg der Fluidflußrate zu erreichen. Die Flußrate wird
auf der Grundlage des wirksamen Flußbereichs zwischen dem Ventilkopf 40 und
der flußverändernden
Oberfläche 47 geregelt.
Deshalb und unter der Annahme, daß die Größe des Ventilkopfs 40 konstant
bleibt, kann ein Anwender einfach die Form der flußverändernden
Oberfläche
verändern,
um die gewünschten flußverändernden
Eigenschaften für
das EGR-Ventil 1 zu erreichen.
-
Wie
vorstehend mit Bezug auf die erste und die zweite bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben, werden zwei Arten von Einsätzen in
dem Ventilgehäuse 2 verwendet, um
die Flußeigenschaften
eines Ventilsystems zu verändern.
Mit dem mit Öffnungen
versehenen Einsatz 36 wird der Fluß auf der Grundlage des wirksamen
Querschnittsbereichs der Öffnung 38 geregelt, der
durch Ventilkopf 40 freigegeben wird, während das Ventil, wie in 2 dargestellt
ist, angehoben wird. Mit dem kegelförmigen Einsatz 48 wird
jedoch der Fluß auf
der Grundlage des definierten Durchflußquerschnitts oder des axialen
Spalts zwischen dem Ventilkopf 40 und dem Ventilsitz 21 und
dem radialen Spalt zwischen Ventilkopf 40 und der flußverändernden
Oberfläche 47 geregelt,
wenn der Ventilkopf angehoben wird.
-
5 veranschaulicht
in einer grafischen Darstellung den wirksamen Durchflußquerschnitt
eines EGR-Ventils in Prozent im Verhältnis zum Hub des EGR-Ventils in Prozent
sowohl für
den mit Öffnungen
versehenen Einsatz 36 als auch für den kegelförmigen Einsatz 48.
Diese Figur liefert eine grafische Darstellung von Flußeigenschaftsdaten
speziell für
die beiden Einsatzkonstruktionen der ersten und der zweiten bevorzugten
Ausführungsform.
Unter Verwendung der mathematischen Daten von 6 kann
man die Beziehung des Graphen zur Ventiltätigkeit wie folgt beschreiben:
wenn Z der Ventilhub und A der wirksame Durchflußquerschnitt des Ventils ist, dann
wird die Wechselrate oder "Ausbeute" des Ventils in Abhängigkeit
vom Ventilhub variieren. Bei dem mit Öffnungen versehenen Einsatz
ist die Kurve konkav aufwärts
gebogen und die Ausbeute gering bei geringen Hüben und nimmt über die
gesamte Hublänge
zu, wie in 5 dargestellt. Dies wäre sehr nützlich für eine Systembauart,
die eine Feinsteuerung bei niedrigen Hüben oder Durchflußquerschnitten
erfordert und die vielleicht einen weiten Bereich an Durchflußquerschnitt
benötigt
und die eine grobere Steuerung am oberen Ende der Hubbwegung aushalten
kann. Verglichen mit dem mit Öffnungen
versehenen Einsatz ist die Ausbeute des kegelförmigen Einsatzes höher bei
niedrigem Hub des Ventilschafts. Bei zunehmendem Hub des Ventilschafts
nimmt der Durchflußquerschnitt
des kegelförmigen
Einsatzes ebenfalls zu. Jedoch beginnt sich der Durchflußquerschnitt
zu verkleinern, nachdem das Ventil auf etwa 40% seines maximalen
Hubs angehoben wurde. Die grafischen Daten von 5 zeigen,
daß der
kegelförmige
Einsatz, wenn das Ventil angehoben wird, einen größeren Durchflußquerschnitt
freigibt, als der mit Öffnungen
versehene Einsatz. Nichtsdestoweniger nimmt die Wechselrate oder
Ausbeute des kegelförmigen
Einsatzes ab, wenn der Ventilhub größer als 50% ist. Wie ferner
aus dem Graphen ersichtlich ist, ermöglicht der mit Öffnungen
versehene Einsatz jedoch eine genauere Flußsteuerung bei Beginn des Ventilhubs
oder beim Öffnen
des EGR-Ventils 1. Beide Einsätze liefern für einen
Anwender einen bedeutenden Betrag an Flexibilität, wenn er eine geeignete Ventilanordnung
zur Flußsteuerung
für besondere EGR-Anforderungen
entwerfen will.
-
6 veranschaulicht
grafisch einige unterschiedliche Ausführungsformen von kegelförmigen Einsätzen und
das Verhalten ihrer jeweiligen wirksamen Durchflußquerschnitte,
um eine Reihe von Flußsteuerungseigenschaften
zu erzeugen. Jede Kurve entspricht einer Konstruktion mit kegelförmigem Einsatz. 6 zeigt
insbesondere den Ventilflußbereich in
Prozent im Verhältnis
zum Ventilhub des kegelförmigen
Einsatzes in Prozent des kegelförmigen
Einsatzes, der bei dem EGR-Ventil in der zweiten bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird. Die Legende bzw. Zeichenerklärung von 6 zeigt
Exponenten von Leistungs funktionen, die verwendet werden können, um
die grafische Darstellung der Flußrate für die Konstruktion mit kegelförmigem Einsatz
zu verändern.
Die mathematische Darstellung jeder Kurve ist A = min(Aaxial,
Aradial), wobei "A" den
wirksamen Flußquerschnitt
des Ventils, "Aaxial" den
zylindrischen Ventilflußquerschnitt,
der auf dem axialen Spalt zwischen dem Ventilkopf 40 und
dem Ventilsitz 40 beruht, und "Aradial" den Ventilflußquerschnitt
darstellt, der auf dem radialen Spalt zwischen dem Ventilkopf 40 und der
flußverändernden
Oberfläche 47 des
Einsatzes beruht.
-
Der
Aaxial-Wert wird wie folgt berechnet: Aaxial = π·D·Z,wobei "D" für
den Durchmesser des Ventilkopfs und "Z" für den Hub
des Ventilschafts während
des Betriebs des EGR-Ventil 1 steht.
-
Der
Aradial-Wert wird wie folgt berechnet: Aradial = a + b·Zn,wobei "a" der
Durchmesser der kegelförmigen
inneren Wände
des Einsatzes am geringsten Durchmesser ist, der 2,7% von Amax oder des Bereichs von maximalem Fluß des EGR-Ventils
beträgt;
und "b" ein Koeffizient
ist, der aussagt, wie der Kegeldurchmesser mit dem Ventilhub zunimmt; "Z" steht für den Hub des Ventilschafts;
und "n" ist ein Exponent,
der die in dem Graphen von 6 dargestellte
eindeutige Kegeldefinition eines jeden Einsatzes definiert. Die x-Achse
repräsentiert
den Ventilhub des Ventilkopfs vom Ventilsitz in Prozent des maximalen
Ventilhubs, und auf der y-Achse liegen die Minimumwerte von Aaxial und Aradial.
-
Die
Konstruktion des kegelförmigen
Einsatzes führt
im Hinblick auf die Reihe von Fließfähigkeiten zu mehr Flexibilität als die
Konstruktion des mit Öffnungen
versehenen Einsatzes. Unter Verwendung der vorstehend erörterten
und in der Legende von 6 festgehaltenen Reihe von Parametern kann
ein Anwender entwerfen: (a) Formen mit Eigenschaften eines konkaven
Abwärtsflußes für Situationen,
die anfänglich
ein schnelles Öffnen
und eine Feinsteuerung am oberen Ende des Ventilhubs erfordern (n < 1,0), (b) Formen
mit vollkommen linaren Flußeigenschaften,
wo der Anwender lineare Flußsteuerung
wünscht
(n = 1,0), oder (c) Formen mit Eigenschaften eines konkaven Aufwärtsflußes, wo
die Feinsteuerung am unteren Ende benötigt wird mit dem Preis bzw.
Nachteil einer gröberen
Steuerung am oberen Ende (n > 1,0).
Die Konstruktionen des kegelförmigen
Einsatzes, die grafisch in 6 wiedergegeben
sind, haben minimale Durchmesser der flußverändernden Oberflächen, die
etwas größer als der
Durchmesser des Ventilkopfs sind, und ermöglichen dadurch einen minimalen
Fluidfluß,
wenn das Ventil anfänglich
geöffnet
wird.
-
7 zeigt
den Flußbereich
eines Ventils in Prozent in Abhängigkeit
vom Ventilhub in Prozent bei einer im EGR-Ventil 1 verwendeten
Konstruktion mit kegelförmigem
Einsatz, wo der kleinste Kegeldurchmesser um einen festgelegten
Betrag größer als
der Durchmesser des Ventilkopfs ist und deshalb der initiale Flußbereich
sehr schnell geöffnet
wird, nur geregelt durch den axialen Spalt in einer ausgedehnten initialen Öffnungsphase.
In 6 zum Beispiel, bei der Konstruktion mit kegelförmigem Einsatz
und einem Exponenten zur Kegeldefinition von n = 1,0, d.h. einem
flachen, linearen Kegel mit minimalem Durchmesser, der einen radialen
Fluß von
30% des maximalen Flußbereichs
erbringt (dies ist die mittlere Kurve der fünf Kurven), wird der Flußbereich
zu 50% seines Maximums bei den initialen 25% Hub geöffnet, während die
oberen 50% des Flußbereichs
von den restlichen 75% Hub geregelt werden. Für eine feinere Steuerung bei
höheren
Hüben wird
ein kegelförmiger Einsatz
mit einem Exponenten zur Kegeldefinition von n = 0,5 (die oberste
Kurve) eine größere Steuerung
der Flußrate
erbringen, durch Steuerung des Flusses durch den radialen Spalt
zwischen dem Ventilkopf 40 und der flußverändernden Oberfläche 47, wenn
das Ventil oberhalb von 50% Hub ist. Durch einfache Veränderung
der inneren Oberfläche
des kegelförmigen
Einsatzes 48 kann ein Anwender das EGR-Ventil 1 in
der Weise Kundenwünschen
anpassen, daß die
erwünschten
Ventileigenschaften zu der spezifischen Motorsystemarchitektur passen.
-
Wie
aus 7 hervorgeht, sind der initiale Flußbereich
des Ventils und die Prozentsätze
des Ventilhubs bei allen Variationen der Konstruktion mit kegelförmigem Einsatz
wegen des initialen radialen Spalts zwischen dem Ventilkopf und
der flußverändernden
Oberfläche
des Einsatzes im wesentlichen linear. Jedoch fällt der Flußbereich des Ventils ab, nachdem
der Ventilhubprozentsatz etwa 17% bei der ersten kegelförmigen Konstruktion
(n = 2,0) und bis zu etwa 33% bei der letzten kegelförmigen Konstruktion
(n = 0,5) übersteigt.
Diese besonderen Flußeigenschaften
können
für größere Steuerung
der Flußflächen bei
Bedingungen mit hohem Hub erwünscht sein.
Die Konstruktion des EGR-Ventils 1 sorgt für größere Beherrschbarkeit
im Zeitablauf als die vorhandenen EGR-Ventilkonstruktionen, wegen der Fähigkeit,
die Flußeigenschaften
des Ventilaufbaus durch Verwendung verschiedener Einsätze zu verändern. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
einem Anwender, eine Einsatzkonstruktion auszuwählen, die den Anforderungen
an eine Flußsteuerung
für eine
besondere Motorumgebung entspricht.
-
Das
Ventil zur Steuerung des Flusses gemäß der vorliegenden Erfindung
kann in jeder Umgebung eingesetzt werden, bei der es wesentlich
ist, eine wünschenswertere
Flußsteuerungscharakteristik
bei der Abgasrückführung zu
erzielen. Außerdem
kann das Flußsteuerungsventil
dort verwendet werden, wo es erwünscht
ist, die input/output-Eigenschaften des Ventils spezifisch für die Anforderungen
eines besonderen Systems zu gestalten. Ferner kann das Flußsteuerungsventil
eingesetzt werden, um den Grad zu steuern, bis zu welchem Nox-Emissionen verringert werden und andere
Eigenschaften von Bedeutung beeinflußt werden, wie Emissionen von
Partikeln und Einsparung von Kraftstoff.