EP1342907A2 - Ventileinrichtung - Google Patents

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EP1342907A2
EP1342907A2 EP02026757A EP02026757A EP1342907A2 EP 1342907 A2 EP1342907 A2 EP 1342907A2 EP 02026757 A EP02026757 A EP 02026757A EP 02026757 A EP02026757 A EP 02026757A EP 1342907 A2 EP1342907 A2 EP 1342907A2
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valve
control surface
valve device
valve rod
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Andreas Köster
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/70—Flap valves; Rotary valves; Sliding valves; Resilient valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/50—Arrangements or methods for preventing or reducing deposits, corrosion or wear caused by impurities

Definitions

  • the invention relates to a valve device, in particular for exhaust gas recirculation in an internal combustion engine, having a housing, an adjusting device, a drive, a valve rod or shaft, a switching element and a control surface.
  • valve devices With regard to the opening of a control surface and thus the fluidic connection from an inlet to an outlet channel of the valve, there are in particular two different options, either by lifting a switching element from the control surface as in the case of the globe valve or by rotating the switching element relative to the control surface, as a result of which defined through openings of the Switching element are placed exactly over the inlet channels or the inlet channel of the valve.
  • a rotary slide valve is described for example in the as yet unpublished patent application with the file number 10101412.0.
  • the function and design of globe valves is generally known.
  • a valve rod or shaft is driven as the axis of rotation of the switching element via a drive module.
  • the switching elements are generally circular and have through openings which correspond to the openings of a control surface when rotated and in this way establish the fluidic connection between the valve inlet opening and the valve outlet opening.
  • the object of the invention is to create a valve device with an adjusting device which reduces the wear on the sealing surfaces and at the same time eliminates sticking.
  • This object is achieved in that the switching element performs a combined lifting and rotating movement.
  • this lifting and rotating movement is realized by a link with a guide contour which contains a slope and a toggle which is positively guided in the guide contour and which is firmly connected to the valve rod.
  • the valve can now be opened or closed by rotating the valve rod or the axis of rotation and thus the permanently connected switching element via a drive.
  • a circumferential sealing and scraping edge around the through-openings of the switching element can now be used to loosen the sticking caused by the rotary movement and at the same time prevent permanent rubbing between the scraping edge and the control surface due to the lifting movement, which significantly reduces wear compared to a conventional rotary slide valve.
  • the advantages of the globe valve, in particular the low wear can be combined with the advantages of the rotary slide valve, in particular the possible shearing of bonds.
  • a further rotating movement is carried out.
  • This increases the coverage of the through openings in the switching element and in the fixed control surface, as a result of which the flow rate can be changed and also regulated.
  • Around the through openings on the switching element there are scraping edges that push possible dirt in the sealing area away when the valve closes due to the stroke and rotary movement and thus clean the sealing surfaces.
  • a sealing edge directly adjoining the scraping edge achieves the sealing effect between the switching element and the control surface.
  • An edge that combines sealing and scraping functions is also conceivable.
  • Closing the valve in the event of a malfunction of the system can be ensured by a return spring on the link.
  • valve device with adjusting device An embodiment of such a valve device with adjusting device is shown in the drawing and is described below.
  • Figure 1 shows a perspective view of the valve device with adjusting device in the fully open position.
  • Figure 2 shows a perspective view of the underside of the switching element and a cut part of the control surface.
  • valve device according to the invention with adjusting device shown in FIGS. 1 and 2 is usually located within a valve housing, not shown here.
  • a valve rod or shaft 1 which is located in the valve housing, is permanently connected on its first side to a switching element 2, at its second end to a drive, not shown here, usually an electric motor, which switches the switching element 2 via the Valve rod 1 starts rotating.
  • the switching element 2 has through openings 3 through which a fluid can flow when the valve is in the open position.
  • a bore 4 into which a toggle 5 is inserted by means of a press fit.
  • This gag 5 engages in a form-fitting manner in two guide contours 6 of a link 7, which in the present application example has the shape of a hollow cylinder.
  • the toggle 5 When the valve rod 1 is turned, the toggle 5 must exactly follow the contour 6 and with it the valve rod 1 or the switching element 2, which in the present case has a circular cross section.
  • the contour 6 In the first area 8, the contour 6 has a shape parallel to the switching element 2, so that the switching element 2 executes a pure rotary movement in this first area.
  • the contour 6 In the adjoining area 9, the contour 6 has a circumferential slope towards the switching element 2, so that the switching element 2 executes a combined rotary and lifting movement.
  • a control surface 10 on the side facing away from the valve rod 1, which is generally fixed and connected to the valve housing. This control surface 10 also has contoured through openings 13 which correspond to those of the switching element 2.
  • the toggle 5 follows the contour 6 in the region 9 and there is a combined lifting and rotating movement of the switching element 2. Contamination is removed from the control surface 10 by the rotary movement via the scraping edges 12 of the switching element 2. At the same time, a small gap is created by the slight lifting of the valve rod 1 with the switching element 2 by the guide contour 6, which is greatest when the end of the area 9 is reached by the toggle 5. This stroke movement prevents excessive friction between the scraping edges 12 of the switching element 2 and the control surface 10. During the further rotary movement of the valve rod 1 and thus of the switching element 2 in the area 8 of the guide contour 6, there is a growing overlap of the through openings 3, 13 of the switching element 2 and the control surface 10.
  • the fluid flow also increases from the inlet side to the outlet side of the valve.
  • the inlet side is here on the side of the control surface 10 facing away from the switching element 2, the outlet side of the valve on the side of the switching element 2 facing away from the control element 10.
  • the volume flow of the fluid can thus be changed and with appropriate control of the actuator can be regulated.
  • valve rod or shaft 1 is rotated in the opposite direction and accordingly first performs a pure rotary movement when passing the knob 5 in the area 8 and later when passing through the area 9 of the toggle a combined lifting and rotating movement.
  • contaminants are released from the control surface 10 by the scraping edges 12 of the switching element 2.
  • valve housing and the design of the link 7, guide contour 6, valve rod 1, switching element 2 and control surface 10 and the type of drive can be designed differently.

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Abstract

Üblicherweise führen Ventileinrichtungen zum Öffnen bzw. Schließen des Ventils entweder eine Hub- oder eine Drehbewegung aus. Bei der reinen Drehbewegung entstehen Probleme aufgrund des Verschleisses zwischen dem Schaltelement (2) und dem Steuerelement (10) einer Ventileinrichtung durch die starke Reibung. Bei Hubventilen entstehen Probleme insbesondere durch Verklebungen zwischen diesen beiden Elementen. Die vorliegende Erfindung hingegen nutzt die Vorteile der Dreh- und Hubbewegung und kombiniert diese miteinander. So werden durch die Drehbewegung vorher entstandene Verklebungen und Ablagerungen gelöst bzw. abgeschert, während durch die gleichzeitige Hubbewegung ein zu großer Verschleiß durch Reibung zwischen dem Schaltelement (2) und der Steuerfläche (10) weitestgehend ausgeschlossen ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung insbesondere zur Abgasrückführung in einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, einer Verstellvorrichtung, einem Antrieb, einer Ventilstange bzw. -welle, einem Schaltelement und einer Steuerfläche.
  • Der prinzipielle Aufbau solcher Ventileinrichtungen ist allgemein bekannt. Hinsichtlich der Öffnung einer Steuerfläche und somit der fluidischen Verbindung von einem Eintritts- zu einem Austrittskanal des Ventils gibt es insbesondere zwei verschiedene Möglichkeiten, entweder durch Abheben eines Schaltelements von der Steuerfläche wie beim Hubventil oder durch Verdrehen des Schaltelements gegenüber der Steuerfläche, wodurch definierte Durchgangsöffnungen des Schaltelements exakt über die Eintrittskanäle oder den Eintrittskanal des Ventils gelegt werden. Ein solches Drehschieberventil ist beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10101412.0 beschrieben. Die Funktions- und Bauweise von Hubventilen ist allgemein bekannt.
  • Bei einem Drehschieberventil wird eine Ventilstange bzw. -welle als Drehachse des Schaltelementes über ein Antriebsmodul angetrieben. Die Schaltelemente sind in der Regel kreisrund und besitzen Durchgangsöffnungen, die bei Verdrehen mit den Öffnungen einer Steuerfläche korrespondieren und auf diese Art und Weise die fluidische Verbindung zwischen Ventileintrittsöffnung und Ventilaustrittsöffnung herstellen.
  • Nachteil eines solchen Drehschieberventils ist der hohe Verschleiß, der durch die Reibung bei der Drehbewegung zwischen Schaltelement und Steuerfläche entsteht. Dies führt zu Leckagen am Ventil und somit zu einer geringeren Lebensdauer. Bei einem Hubventil können Verklebungen, die insbesondere durch den Einfluß von Öl und Kraftstoffadditiven oder auch anderen Verunreinigungen im Abgas in bestimmten Temperaturbereichen entstehen, zu einer Fehlfunktion des Ventils führen. Solche Verklebungen führen auch zu Problemen an Drehschieberventilen, sind hier jedoch durch die scherende Bewegung des Schaltelementes zur Steuerfläche mit geringerer Kraft zu lösen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ventileinrichtung mit Verstellvorrichtung zu schaffen, welches den Verschleiß der Dichtflächen reduziert und gleichzeitig Verklebungen beseitigt.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Schaltelement eine kombinierte Hubund Drehbewegung ausführt.
  • Diese Hub- Drehbewegung wird im beschriebenen Anwendungsbeispiel durch eine Kulisse mit einer Führungskontur, die eine Steigung enthält, und einem in der Führungskontur zwangsgeführten Knebel, der fest mit der Ventilstange verbunden ist, realisiert. Durch Drehen der Ventilstange bzw. der Drehachse und damit des fest verbundenen Schaltelementes über einen Antrieb kann nun das Ventil geöffnet bzw. geschlossen werden.
  • Durch eine umlaufende Dicht- und Schabkante um die Durchgangsöffnungen des Schaltelementes können nun durch die Drehbewegung entstehende Verklebungen scherend gelöst und gleichzeitig durch die Hubbewegung ein permanentes Reiben zwischen der Schabkante und der Steuerfläche verhindert werden, was den Verschleiß im Vergleich zu einem üblichen Drehschieberventil deutlich reduziert. Auf diese Weise können also die Vorteile des Hubventils, insbesondere der geringe Verschleiß, mit den Vorteilen des Drehschieberventils, insbesondere das mögliche Abscheren von Verklebungen, miteinander kombiniert werden.
  • In einer besonders günstigen Ausführungsform wird, nachdem ein Spalt durch die kombinierte Hub- Drehbewegung erzeugt ist, noch eine weitere Drehbewegung ausgeführt. Hierdurch erhöht sich die Überdeckung der Durchgangsöffnungen im Schaltelement und in der feststehenden Steuerfläche, wodurch die Durchflußmenge verändert und auch geregelt werden kann. Um die Durchgangsöffnungen am Schaltelement befinden sich Schabkanten, die beim Schließen des Ventils durch die Hub-Drehbewegung mögliche Verschmutzungen im Dichtbereich wegschieben und somit die Dichtflächen reinigen. Eine direkt an die Schabkante anschließende Dichtkante erzielt die Dichtwirkung zwischen dem Schaltelement und der Steuerfläche. Auch eine Kante, die Dicht- und Schabfunktion kombiniert ist vorstellbar.
  • Ein Schließen des Ventils bei einer auftretenden Fehlfunktion des Systems kann durch eine Rückdrehfeder an der Kulisse sichergestellt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Ventileinrichtung mit Verstellvorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Ventileinrichtung mit Verstellvorrichtung in vollständig geöffneter Stellung.
  • Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Unterseite des Schaltelementes sowie einen geschnittenen Teil der Steuerfläche.
  • Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Ventileinrichtung mit Verstellvorrichtung befindet sich üblicherweise innerhalb eines hier nicht dargestellten Ventilgehäuses. Eine Ventilstange bzw. -welle 1, die sich im Ventilgehäuse befindet, ist an ihrer ersten Seite fest mit einem Schaltelement 2, an ihrem zweiten Ende mit einem hier nicht dargestellten Antrieb, in der Regel ein Elektromotor, verbunden, der das Schaltelement 2 über die Ventilstange 1 in Drehung setzt. Das Schaltelement 2 weist Durchgangsöffnungen 3 auf, durch die ein Fluid bei geöffneter Stellung des Ventils strömen kann. Am oberen Ende der Ventilstange 1 befindet sich eine Bohrung 4, in die ein Knebel 5 mittels Preßsitz gesteckt ist. Dieser Knebel 5 greift formschlüssig in zwei Führungskonturen 6 einer Kulisse 7 ein, die im vorliegenden Anwendungsbeispiel die Form eines Hohlzylinders aufweist.
  • Bei Verdrehen der Ventilstange 1 muß der Knebel 5 genau der Kontur 6 folgen und mit ihm auch die Ventilstange 1 bzw. das Schaltelement 2, welches im vorliegenden Fall einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Im ersten Bereich 8 weist die Kontur 6 eine zum Schaltelement 2 parallele Form auf, so daß das Schaltelement 2 in diesem ersten Bereich eine reine Drehbewegung ausführt. Im daran anschließenden Bereich 9 weist die Kontur 6 eine umlaufende Steigung zum Schaltelement 2 hin gerichtet auf, so daß das Schaltelement 2 eine kombinierte Dreh- und Hubbewegung ausführt. Als Gegenstück zum Schaltelement 2 befindet sich an der der Ventilstange 1 abgewandten Seite eine Steuerfläche 10, die in der Regel feststehend und mit dem Ventilgehäuse verbunden ist. Diese Steuerfläche 10 weist ebenfalls konturierte Durchgangsöffnungen 13 auf, die mit denen des Schaltelementes 2 korrespondieren. An der Unterseite des Schaltelementes 2 befinden sich Dichtkanten 11 und Schabkanten 12, die die konturierten Durchgangsöffnungen 3 des Schaltelementes 2 umschließen. Bei vollständig geschlossenem Ventil findet keine Überdeckung der Durchgangsöffnungen 3,13 von Schaltelement 2 und Steuerfläche 10 statt und die Dichtung zwischen einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite des Ventils findet über diese Dichtkanten 11 statt. Der Knebel 5 befindet sich zu diesem Zeitpunkt am Anschlag des Konturbereiches 9.
  • Beginnt nun die Drehung der Drehachse 1 über den Antrieb folgt der Knebel 5 der Kontur 6 im Bereich 9 und es findet eine kombinierte Hub- Drehbewegung des Schaltelementes 2 statt. Dabei werden durch die Drehbewegung Verunreinigungen über die Schabkanten 12 des Schaltelementes 2 von der Steuerfläche 10 entfernt. Gleichzeitig entsteht ein kleiner Spalt durch das leichte Anheben der Ventilstange 1 mit dem Schaltelement 2 durch die Führungskontur 6, der am größten ist, wenn das Ende des Bereiches 9 durch den Knebel 5 erreicht ist. Durch diese Hubbewegung wird eine zu große Reibung zwischen den Schabkanten 12 des Schaltelementes 2 und der Steuerfläche 10 verhindert. Während der weiteren Drehbewegung der Ventilstange 1 und somit des Schaltelementes 2 in den Bereich 8 der Führungskontur 6, findet eine wachsende Überdeckung der Durchgangsöffnungen 3,13 von Schaltelement 2 und Steuerfläche 10 statt.
  • Sowohl mit dem sich erweiternden Spalt zwischen dem Schaltelement 2 und der Steuerfläche 10 während der kombinierten Hub- Drehbewegung als auch mit steigender Überdeckung der Durchgangsöffnungen 3,13 während der reinen Drehbewegung wächst auch der Fluidstrom von der Eintrittsseite zur Austrittsseite des Ventils. Die Eintrittsseite befindet sich hier an der dem Schaltelement 2 abgewandten Seite der Steuerfläche 10, die Austrittsseite des Ventils an der dem Steuerelement 10 abgewandten Seite des Schaltelementes 2. Je nach Stellung der Drehachse 1 des Ventils kann somit der Volumenstrom des Fluids verändert und bei entsprechender Steuerung des Stellantriebs geregelt werden.
    Bei der schließenden Bewegung des Ventils wird die Ventilstange bzw. -welle 1 in umgekehrter Richtung gedreht und führt dementsprechend zunächst eine reine Drehbewegung bei Durchlaufen des Knebels 5 im Bereich 8 und später bei Durchlaufen des Bereichs 9 des Knebels eine kombinierte Hub- Drehbewegung aus. Auch hier werden während der kombinierten Hub- Drehbewegung vor der Berührung der Dichtfläche 11 des Schaltelementes 2 und der Steuerfläche 10 Verunreinigungen von der Steuerfläche 10 durch die Schabkanten 12 des Schaltelementes 2 gelöst.
  • Es sollte klar sein, daß sowohl die Bauform des Ventilgehäuses als auch die Ausgestaltung von Kulisse 7, Führungskontur 6, Ventilstange 1, Schaltelement 2 und Steuerfläche 10 sowie die Art des Antriebs unterschiedlich ausgeführt werden können.

Claims (9)

  1. Ventileinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, einer Verstellvorrichtung, einem Antrieb, einer Ventilstange bzw. -welle, einem Schaltelement und einer Steuerfläche, wobei die angetriebene Ventilstange, das mit ihr fest verbundene Schaltelement entsprechend der Verstellvorrichtung relativ zur Steuerfläche bewegt, was ein Öffnen und Schließen des Ventils verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Verstellvorrichtung derartig ausgebildet ist, daß das Schaltelement eine kombinierte Hub- und Drehbewegung ausführt.
  2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Verstellvorrichtung aus einer Kulisse (7) besteht, die eine Führungskontur (6) aufweist.
  3. Ventileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Ventilstange bzw. -welle (1) über ein Verbindungsstück formschlüssig mit der oder den Führungskonturen (6) der Kulisse (7) verbunden ist und somit das Schaltelement durch die Führungskonturen (6) zwangsgeführt wird.
  4. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verbindungsstück radial zur Ventilstange (1) und in Höhe der Führungskontur (6) der Kulisse (7) angebracht ist.
  5. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verbindungsstück ein Knebel oder ein Metallstift (5) ist, der kraft- oder stoffschlüssig mit der Ventilstange (1) verbunden ist.
  6. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Führungskonturen (6) im Bereich der dem Schaltelement (2) abgewandten Seite der Kulisse (7) parallel zum Schaltelement (2) im Bereich (8) und von dort bis zu ihrem Ende eine umlaufende Steigung im Bereich (9) in Richtung des Schaltelementes (2) aufweisen.
  7. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    das Schaltelement (2) im Querschnitt kreisförmig ist und konturierte Durchgangsöffnungen (3) aufweist.
  8. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steuerfläche (10) ein feststehendes kreisförmiges Element mit konturierten Durchgangsöffnungen (13) ist, die mit den konturierten Durchgangsöffnungen (3) des Schaltelementes (2) korrespondieren.
  9. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    die konturierten Durchgangsöffnungen (3) des Schaltelementes (2) umlaufende Dicht- (11) und Schabekanten (12) aufweisen.
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