EP1362985A2 - Ventilsystem - Google Patents

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EP1362985A2
EP1362985A2 EP03002950A EP03002950A EP1362985A2 EP 1362985 A2 EP1362985 A2 EP 1362985A2 EP 03002950 A EP03002950 A EP 03002950A EP 03002950 A EP03002950 A EP 03002950A EP 1362985 A2 EP1362985 A2 EP 1362985A2
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EP
European Patent Office
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valve
eccentric
valve system
coupling
unit
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EP03002950A
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EP1362985A3 (de
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Andreas Köster
Stefan Vitt
Heinrich Dismon
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F02M26/72—Housings
    • F02M26/73—Housings with means for heating or cooling the EGR valve

Definitions

  • the invention relates in particular to a valve system for internal combustion engines for exhaust gas recirculation with at least one housing in which a drive unit with a drive shaft, an eccentrically driven clutch unit and at least a valve is arranged, the valve comprising at least one valve rod, a valve closing body and a valve seat, the coupling unit the rotational movement of the drive unit in a linear movement of the valve rods transforms.
  • Such a valve system has in essentially a drive unit, a gear unit with a pin eccentrically arranged bearings as coupling parts and a valve with valve rod, Valve closing member and valve seat, the gear unit with the valve rod in There is an active connection and can thus open or close the valve. Furthermore it has an outlet opening and an inlet opening.
  • the object of the invention is to create a valve system create, which avoids the disadvantages mentioned above and is also easy to set up and is inexpensive to manufacture.
  • the coupling unit advantageously consists of a through the drive shaft eccentrically driven coupling element and at least two fixed to the coupling element connected coupling strands, the coupling strands each from a first eccentric, a connecting shaft arranged in a bearing, that at its first end with the first eccentric and at its second end with a second eccentric is firmly connected and one is fixed to the second eccentric connected bearing element exist.
  • a valve system designed in this way therefore requires several valves to be actuated only one drive unit and possibly a sensor unit. Furthermore only one housing is required for the valves, so that the entire valve system pre-assembled on the intake line or the exhaust lines can. This reduces both the mechanical and the electrical assembly effort considerably, which in addition to the reduced component costs also a There is a reduction in assembly costs.
  • valves depending on the angular position of the first to the second eccentric of a clutch train either synchronously, that is simultaneous opening and closing of the valves, especially in internal combustion engines V-shaped or asynchronous, i.e. opening and closing at different times of the valves to operate. This creates a variety of installation options for a created such a valve system.
  • a particularly simple form of mounting the connecting shaft of the two eccentrics is created in that the bearing with the housing of the valve system connected is.
  • the roller bearings are advantageously arranged in scenes that with the valve rods are firmly connected, so that positive guidance of the valve rods arises.
  • valve system When this valve system is attached to suction pipes made of plastic or magnesium water cooling can be integrated into the housing.
  • valve system is created which is simple and is built robustly and also saves weight. Furthermore one reaches one high flexibility with regard to installation and pre-assembly. Due to the forced control the valves can also be actively closed and locked.
  • Figure 1 shows a perspective view of a valve system according to the invention with cut housing and without housing cover.
  • Figure 2 shows a perspective view of the valve system without a drive unit and without housing cover with cut housing.
  • Figure 3 shows a perspective view of a section of the valve system without Housing cover and here in particular a coupling unit according to the invention and a backdrop for forced guidance, with arrows to show the direction of movement of the individual components of the coupling device.
  • Figure 4 shows a perspective view of an output part of the clutch unit asynchronous operation.
  • the valve system shown consists of a drive unit 1, which one Electric motor 2 with a planetary gear 3 and one from a motor housing 4 emerging drive shaft 5 there.
  • a drive unit 1 On the end of the from the engine case 4 emerging drive shaft 5 is an eccentrically arranged driver 6 firmly attached, which in turn via a pin 7 with a coupling element 8, which is perpendicular to the drive shaft 5, is rotatably connected.
  • the rotary motion the drive shaft 5 is on this coupling element on two identical coupling strands 9 transferred.
  • the eccentrically arranged driver 6, the pin 7, the Coupling element 8 and the two coupling strands 9 form a coupling unit 10.
  • Each of the two coupling strands 9 consists of a first eccentric 11, the is in turn connected to the coupling element 8 via a pin 12, as well as one in a bearing 13 which is fixedly mounted with respect to the drive shaft 5 Connecting shaft 14, the first eccentric 11 with a second eccentric 15 connects.
  • This second eccentric 15 is in turn connected to a pin 16 a bearing element, in this case a roller bearing 17.
  • This roller bearing 17 simultaneously forms the end member of the coupling unit 10 or the two Coupling strands 9.
  • the two roller bearings 17 are each arranged in a link 18, the movement of the coupling unit 10 or the rolling bearing 17 on two Valve rods 19, which are simultaneously positively guided by the backdrop 18, transmits.
  • FIG. 3 shows the individual directions of movement of the components of the coupling unit 10 represented again by arrows.
  • the rotary motion the drive shaft 5 by the eccentrically arranged driver 6 in essentially converted into a horizontal movement of the coupling element 8.
  • This transmits this movement to the roller bearing 17, from which a essential vertical movement of the scenes 18 and thus the fixed with the scenes connected valve rods 19 arises.
  • two valve plates 20 which are fixedly connected to the valve rods 19 against their Valve seats 21, which are part of a housing part 22, pressed.
  • valve plate 20 By moving the Drive shaft 5 in the opposite direction, the valve plate from the valve seat 21 lifted off, whereby a fluidic connection between the outlet opening 23 and Inlet opening 24 is made.
  • a spring element 25 is provided, which the valve rod 19 in the direction of Bearing 17 holds under bias. This pre-tension arises through the introduction of the spring element 25 between a support surface 26 of the housing part 22 and a support ring 27, which is either part of the backdrop 18, or as in the embodiment is a spring plate arranged under the backdrop 18.
  • the support ring 27 of the backdrop 18 In the event of a failure of the electric motor 2 is the support ring 27 of the backdrop 18 in the direction of Rolling bearing 17 loaded by the force of the spring element 25 and thus the valve plate 20 pressed against the valve seat 21 via the valve rod 19.
  • the housing part 22 is constructed so that it is not only the valve seat 21, the outlet opening 23, the inlet opening 24 and the bearing surface 26 for the spring element 25 includes, but also has two bearing receiving base 28, which Bearing 13 of the connecting shafts 14.
  • the entire valve system is closed by a housing cover, not shown in the drawings.
  • the valves can vary depending on Position of the first eccentric 11 in relation to the second eccentric 15 either synchronously, which is particularly useful for V-shaped internal combustion engines, or as shown in Figure 4 are operated asynchronously.
  • the second eccentric 15 one coupling strand 9 by 180 ° compared to the eccentric 15 of the other Coupling strand rotated, causing an opposite movement of the two Valve rods 19 are formed.
  • every angular position is the two eccentrics 15 conceivable to each other.
  • a water cooling can advantageously be integrated into the housing, which makes it possible to use this valve on intake manifolds when used as an exhaust gas recirculation valve made of plastic or magnesium.

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Abstract

Durch die Trennung verschiedener Abgasstränge in einer Verbrennungskraftmaschine ist es notwendig geworden, mehrere Abgasrückführventile einzusetzen, die jeweils über einen eigenen Antrieb verfügen. Mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand ist ein Ventilsystem geschaffen worden, welches mehrere Ventile über eine Antriebseinheit antreibt und somit geringere Kosten durch Reduzierung der Anzahl der Bauteile und des Montageaufwands entstehen. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Kupplungseinheit, die eine Antriebseinheit mit den verschiedenen Ventilstangen verbindet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventilsystem für Verbrennungskraftmaschinen insbesondere zur Abgasrückführung mit zumindest einem Gehäuse, in dem eine Antriebseinheit mit einer Antriebswelle, eine exzentrisch angetriebene Kupplungseinheit und zumindest ein Ventil angeordnet sind, wobei das Ventil zumindest aus einer Ventilstange, einem Ventilschließkörper und einem Ventilsitz besteht, wobei die Kupplungseinheit die rotatorische Bewegung der Antriebseinheit in eine lineare Bewegung der Ventilstangen umwandelt.
Das Prinzip eines solchen Ventilsystems wird beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung EP 10 91 112 A2 beschrieben. Ein solches Ventilsystem weist im wesentlichen eine Antriebseinheit, eine Getriebeeinheit mit einem über einen Zapfen exzentrisch angeordneten Lager als Kupplungsteil und ein Ventil mit Ventilstange, Ventilschließglied und Ventilsitz auf, wobei die Getriebeeinheit mit der Ventilstange in Wirkverbindung steht und dadurch das Ventil öffnen oder schließen kann. Des weiteren weist sie eine Auslaßöffnung und eine Einlaßöffnung auf.
Häufig ist es jedoch notwendig, die in einer Verbrennungskraftmaschine vorhandenen Abgasstränge voneinander zu entkoppeln. Dies ist beispielsweise bei Motoren in V-Bauform, bei denen das Abgas aus beiden Zylinderbänken zurückgeführt wird, der Fall. Dadurch wird es notwendig, für jeden Abgasstrang ein Ventil zur Abgasrückführung zu verwenden. Dabei wird jedes Ventil durch einen eigenen Antrieb betätigt. Dies führt zu einem hohen Kosten- und Montageaufwand. Zusätzlich muß jedes einzelne Ventil mit einer eigenen Sensorik zur Feststellung des Ventilhubes ausgestattet und mit der Auswerteeinheit verbunden werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ventilsystem zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und zudem einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse mindestens zwei Ventile in einer Ebene, die lotrecht zur Antriebswelle der Antriebseinheit verläuft, angeordnet sind und daß die Kupplungseinheit eine Wirkverbindung zwischen der einen Antriebseinheit und den mindestens zwei Ventilstangen herstellt.
Vorteilhafterweise besteht die Kupplungseinheit aus einem durch die Antriebswelle exzentrisch angetriebenen Koppelelement und mindestens zwei fest mit dem Koppelelement verbundenen Kupplungssträngen, wobei die Kupplungsstränge jeweils aus einem ersten Exzenter, einer in einem Lager angeordneten Verbindungswelle, die an ihrem ersten Ende mit dem ersten Exzenter und an ihrem zweiten Ende mit einem zweiten Exzenter fest verbunden ist und einem fest mit dem zweiten Exzenter verbundenen Lagerelement bestehen.
Ein derartig gestaltetes Ventilsystem benötigt somit zur Betätigung mehrerer Ventile nur noch eine Antriebseinheit und gegebenenfalls eine Sensoreinheit. Des weiteren wird für die Ventile nur noch ein Gehäuse benötigt, so daß das gesamte Ventilsystem fertig vormontiert am Ansaugstrang bzw. den Abgassträngen angebracht werden kann. Dies reduziert sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Montageaufwand erheblich, wodurch zusätzlich zu den reduzierten Bauteilkosten auch eine Reduzierung der Montagekosten entsteht.
Des weiteren ist es möglich, die Ventile je nach Winkelstellung des jeweils ersten zum jeweils zweiten Exzenter eines Kupplungsstranges entweder synchron, also gleichzeitiges Öffnen und Schließen der Ventile, insbesondere bei Verbrennungsmotoren in V-Bauform oder asynchron, also zeitlich versetztes Öffnen und Schließen der Ventile, zu betätigen. Dadurch wird eine Vielzahl von Einbaumöglichkeiten für ein solches Ventilsystem geschaffen.
Dadurch, daß als Lagerelemente Wälz- oder Gleitlager eingesetzt werden, kann des weiteren eine besonders einfache und robuste Ausführungsform des Ventilsystems geschaffen werden.
Eine besonders einfache Form der Lagerung der Verbindungswelle der beiden Exzenter wird dadurch geschaffen, daß das Lager mit dem Gehäuse des Ventilsystems verbunden ist. Die Wälzlager sind vorteilhafterweise in Kulissen angeordnet, die mit den Ventilstangen fest verbunden sind, so daß eine Zwangsführung der Ventilstangen entsteht.
Bei einem Anbau dieses Ventilsystems an Saugrohre aus Kunststoff oder Magnesium kann eine Wasserkühlung in das Gehäuse integriert werden.
Auf diese Art und Weise wird somit ein Ventilsystem geschaffen, welches einfach und robust aufgebaut ist und zusätzlich Gewicht spart. Des weiteren erreicht man eine hohe Flexibilität bezüglich Einbau und Vormontage. Durch die Zwangsführung können des weiteren die Ventile aktiv geschlossen und auch zugehalten werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Ventilsystems ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventilsystems mit geschnittenem Gehäuse und ohne Gehäusedeckel.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Ventilsystems ohne Antriebseinheit und ohne Gehäusedeckel mit geschnittenem Gehäuse.
Figur 3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt des Ventilsystems ohne Gehäusedeckel und hier insbesondere eine erfindungsgemäße Kupplungseinheit und eine Kulisse zur Zwangsführung, mit Pfeilen zur Verdeutlichung der Bewegungsrichtung der einzelnen Bauteile der Kupplungseinrichtung.
Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Abtriebsteil der Kupplungseinheit bei asynchronem Betrieb.
Das dargestellte Ventilsystem besteht aus einer Antriebseinheit 1, welche einen Elektromotor 2 mit einem Planetenstandgetriebe 3 und einer aus einem Motorgehäuse 4 austretenden Antriebswelle 5 besteht. Auf dem Ende der aus dem Motorgehäuse 4 austretenden Antriebswelle 5 ist ein exzentrisch angeordneter Mitnehmer 6 fest angebracht, der wiederum über einen Stift 7 mit einem Koppelelement 8, welches lotrecht zur Antriebswelle 5 steht, drehbar verbunden ist. Die Drehbewegung der Antriebswelle 5 wird über dieses Koppelelement auf zwei baugleiche Kupplungsstränge 9 übertragen. Der exzentrisch angeordnete Mitnehmer 6, der Stift 7, das Koppelelement 8 und die beiden Kupplungsstränge 9 bilden eine Kupplungseinheit 10. Jeder der beiden Kupplungsstränge 9 besteht aus einem ersten Exzenter 11, der wiederum über einen Stift 12 mit dem Koppelelement 8 verbunden ist, sowie einer in einem Lager 13, welches in Bezug auf die Antriebswelle 5 fest angebracht ist, angeordneten Verbindungswelle 14, die den ersten Exzenter 11 mit einem zweiten Exzenter 15 verbindet. Dieser zweite Exzenter 15 ist wiederum über einen Stift 16 mit einem Lagerelement, in diesem Fall einem Wälzlager 17 verbunden. Dieses Wälzlager 17 bildet gleichzeitig das Endglied der Kupplungseinheit 10 bzw. der beiden Kupplungsstränge 9. Die beiden Wälzlager 17 sind jeweils in einer Kulisse 18 angeordnet, die die Bewegung der Kupplungseinheit 10 bzw. des Wälzlagers 17 auf zwei Ventilstangen 19, die gleichzeitig durch die Kulisse 18 zwangsgeführt werden, überträgt.
In Figur 3 sind die einzelnen Bewegungsrichtungen der Bauelemente der Kupplungseinheit 10 noch einmal durch Pfeile dargestellt. Im einzelnen wird die Drehbewegung der Antriebswelle 5 durch den exzentrisch angeordneten Mitnehmer 6 im wesentlichen in eine horizontale Bewegung des Koppelelementes 8 umgewandelt. Über die beiden Exzenter 11 und 15 sowie die Verbindungswelle 14 wird diese horizontale Bewegung im wesentlichen über die feststehende rotierende Verbindungswelle 14 in eine rotatorische Bewegung des zweiten Exzenters 15 umgewandelt. Dieser wiederum überträgt diese Bewegung auf die Wälzlager 17, woraus eine im wesentlichen vertikale Bewegung der Kulissen 18 und somit der fest mit den Kulissen verbundenen Ventilstangen 19 entsteht. Durch diese vertikale Bewegung werden zwei Ventilteller 20, die fest mit den Ventilstangen 19 verbunden sind, gegen ihre Ventilsitze 21, die Teil eines Gehäuseteils 22 sind, gepreßt. Durch die Bewegung der Antriebswelle 5 in entgegengesetzte Richtung werden die Ventilteller vom Ventilsitz 21 abgehoben, wodurch eine fluidische Verbindung zwischen Auslaßöffnung 23 und Einlaßöffnung 24 hergestellt wird. Zur stromlosen Rückstellung des Ventiltellers 20 ist ein Federelement 25 vorgesehen, welches die Ventilstange 19 in Richtung des Lagers 17 unter Vorspannung hält. Diese Vorspannung entsteht durch Einbringen des Federelementes 25 zwischen einer Auflagefläche 26 des Gehäuseteils 22 und einem Auflagering 27, welcher entweder Teil der Kulisse 18 ist, oder wie im Ausführungsbeispiel ein unter der Kulisse 18 angeordneter Federteller ist. Bei einem Ausfall des Elektromotors 2 wird also der Auflagering 27 der Kulisse 18 in Richtung des Wälzlagers 17 durch die Kraft des Federelementes 25 belastet und somit der Ventilteller 20 über die Ventilstange 19 gegen den Ventilsitz 21 gepreßt.
Das Gehäuseteil 22 ist so aufgebaut, daß es nicht nur den Ventilsitz 21, die Auslaßöffnung 23, die Einlaßöffnung 24 sowie die Auflagefläche 26 für das Federelement 25 beinhaltet, sondern zusätzlich zwei Lageraufnahmesockel 28 aufweist, die die Lager 13 der Verbindungswellen 14 aufnehmen. Das gesamte Ventilsystem wird durch einen in den Zeichnungen nicht dargestellten Gehäusedeckel verschlossen.
Durch die Trennung der Abgasstränge im Einlaßbereich können die Ventile je nach Stellung des jeweils ersten Exzenters 11 zum zweiten Exzenter 15 entweder synchron, was insbesondere bei Verbrennungsmotoren in V-Bauform sinnvoll ist, oder wie in Figur 4 dargestellt asynchron betätigt werden. Hier ist der zweite Exzenter 15 eines Kupplungsstranges 9 um 180° im Vergleich zu dem Exzenter 15 des anderen Kupplungsstranges gedreht, wodurch eine entgegengesetzte Bewegung der beiden Ventilstangen 19 entsteht. Je nach Anwendung ist jedoch jede Winkelstellung der beiden Exzenter 15 zueinander vorstellbar.
Vorteilhafterweise kann in das Gehäuse eine Wasserkühlung integriert werden, was es möglich macht, dieses Ventil bei Einsatz als Abgasrückführventil auch an Saugrohren aus Kunststoff oder Magnesium anzubringen.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung liegt eine Konstruktion vor, bei der durch Einsatz der Kupplungseinheit zwei oder mehrere Ventile mit einem Stellantrieb unabhängig voneinander betätigt werden. Eine solche Ausführung reduziert Kosten, Bauraum und die Anzahl der Bauteile und somit Gewicht. Des weiteren werden die Ventile durch die Zwangsführung aktiv geschlossen und auch in dieser Schließstellung gehalten.
Veränderungen bezüglich der Ausführung, beispielsweise einer Mehrteiligkeit des Gehäuses oder einer anderen Ausführung der Ventile zum Beispiel als Kegelventil o.ä. beschränken den Schutzbereich der Erfindung nicht.

Claims (8)

  1. Ventilsystem für Verbrennungskraftmaschinen insbesondere zur Abgasrückführung mit mindestens einem Gehäuse, in dem eine Antriebseinheit mit einer Antriebswelle, eine exzentrisch angetriebenen Kupplungseinheit und zumindest ein Ventil angeordnet sind, wobei das Ventil zumindest aus einer Ventilstange, einem Ventilschließkörper und einem Ventilsitz besteht, wobei die Kupplungseinheit die rotatorische Bewegung der Antriebseinheit in eine lineare Bewegung der Ventilstangen umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuseteil (22) mindestens zwei Ventile in einer Ebene, die lotrecht zur Antriebswelle (5) der Antriebseinheit (1) verläuft, angeordnet sind und daß die Kupplungseinheit (10) eine Wirkverbindung zwischen der einen Antriebseinheit (1) und den mindestens zwei Ventilstangen (19) herstellt.
  2. Ventilsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinheit (10) aus einem durch die Antriebswelle (5) exzentrisch angetriebenen Koppelelement (8) und mindestens zwei fest mit dem Koppelelement (8) verbundenen Kupplungssträngen (9) besteht, wobei die Kupplungsstränge (9) jeweils aus einem ersten Exzenter (11), einer in einem Lager (13) angeordneten Verbindungswelle (14), die an ihrem ersten Ende mit dem ersten Exzenter (11) und an ihrem zweiten Ende mit einem zweiten Exzenter (15) fest verbunden ist und einem fest mit dem zweiten Exzenter (15) verbundenen Lagerelement (17) bestehen.
  3. Ventilsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile je nach Winkelstellung des jeweils ersten Exzenters (11) zum jeweils zweiten Exzenter (15) eines Kupplungsstranges (9) entweder synchron, insbesondere bei Verbrennungsmotoren in V-Bauform, oder asynchron betätigbar sind.
  4. Ventilsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente Wälzlager (17) sind.
  5. Ventilsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente Gleitlager sind.
  6. Ventilsystem nach Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente (13) der Verbindungswelle (14) fest mit dem Gehäuseteil (22) verbunden sind.
  7. Ventilsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (17) in Kulissen (18) angeordnet sind, die mit den Ventilstangen (19) fest verbunden sind, so daß die Ventilstangen (19) zwangsgeführt sind.
  8. Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserkühlung im Gehäuseteil (22) angeordnet ist.
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