EP3728822A1 - Regelventil für einen verbrennungsmotor und verfahren zur regelung eines regelventils - Google Patents

Regelventil für einen verbrennungsmotor und verfahren zur regelung eines regelventils

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EP3728822A1
EP3728822A1 EP18826997.1A EP18826997A EP3728822A1 EP 3728822 A1 EP3728822 A1 EP 3728822A1 EP 18826997 A EP18826997 A EP 18826997A EP 3728822 A1 EP3728822 A1 EP 3728822A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating element
valve
control valve
internal combustion
housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18826997.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk VIERKOTTEN
Patrick SUTTY
Thorsten REIMERS
Holger Paffrath
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP3728822A1 publication Critical patent/EP3728822A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M26/45—Sensors specially adapted for EGR systems
    • F02M26/46—Sensors specially adapted for EGR systems for determining the characteristics of gases, e.g. composition
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/66—Lift valves, e.g. poppet valves
    • F02M26/67—Pintles; Spindles; Springs; Bearings; Sealings; Connections to actuators
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/72—Housings
    • F02M26/73—Housings with means for heating or cooling the EGR valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K49/00—Means in or on valves for heating or cooling
    • F16K49/002—Electric heating means

Definitions

  • the invention relates to a control valve for an internal combustion engine with a housing in which a channel is formed between an inlet and an outlet, a valve body which is fixed to a valve rod and on a valve seat on the housing, which defines a flow cross-section in the channel, lowered and can be lifted from the valve seat, a valve guide member which is arranged in a central opening of the housing and in which the valve rod is guided, an actuator by means of which the valve rod is movable, and a heating element.
  • Such control valves are well known from the prior art. They are used for example as exhaust gas recirculation or secondary air valves in the motor vehicle. Usually, these valves are actuated by means of electrical actuators whose rotational movement is converted by a gear in a translational movement of a valve rod on which the corresponding valve seat with the valve body is arranged.
  • the installation in particular in the exhaust gas region of a motor vehicle, means that such a control valve is exposed to a wide variety of loads.
  • Both the pollutants present in the exhaust gas, as well as the external environmental influences and temperatures affect the function of such a valve.
  • dirt or even exhaust particles can lead to a stiffness of the valve up to the setting of the valve due to forming deposits or adhesions.
  • extreme weather conditions such as heavy frost can also Freezing of the valve rod in the guide or the valve body on the valve seat occur especially in still cold engine.
  • FR 2 944 333 To effectively prevent these disadvantages, it is known from FR 2 944 333 to provide a guide or bearing sleeve around an annular element with heating wires, which either serves directly as a valve guide or at least rests directly on the valve guide. These heating wires heat up by energizing, so that the valve guide is heated. As a result, existing deposits on the valve stem to be dissolved by pyrolysis. Such an embodiment is complicated and therefore expensive in structural design. In which states this pyrolysis is carried out is not disclosed.
  • valve guide can also be heated via one or more PTC elements.
  • the heating element itself forms the valve guide or is directly installed with this. A heating of these heating elements takes place in particular, if a sticking of the valve stem is detected by frozen water.
  • the heating element is annular and is arranged in a corresponding annular axial groove on the housing and surrounding the valve guide member, the heat is delivered to the complete housing and thus both the valve guide and in the direction of the valve seat, whereby deposits on both the valve rod as well as on the valve body can be prevented.
  • a heating element is simply insertable into the housing on the actuator side and thus can be installed inexpensively and without damage with little effort.
  • the object is achieved by the heating element is energized in operating areas of the internal combustion engine, in which a condensate formation is expected.
  • a condensate formation is expected.
  • Contaminant water often contains pollutants which form deposits that are difficult to detach by subsequent evaporation of the water, which is prevented by the present process, since significantly fewer deposits form at all.
  • Such condensate formations with the following deposits are both in Operating areas of the engine to be expected in which a lot of water vapor is dissolved in the exhaust gas as well as in areas where the exhaust gas temperatures are not so high, such as in low load conditions.
  • a particularly simple installation of the heating element results when a return spring is biased axially against the heating element, whereby the heating element is held in the groove.
  • a return spring is biased axially against the heating element, whereby the heating element is held in the groove.
  • the heating element is pressed into the axial groove. This allows a tight fit of the heating element without the installation of the spring. A release is so reliably prevented. Furthermore, due to the close tolerance, an entire surface of the heating element is produced to the housing, whereby the heat transfer is improved.
  • the heating element and the valve seat are arranged concentrically to the valve rod and have a diameter such that viewed in the axial direction at least partially overlapping the valve seat and the heating element is present. Accordingly, a minimum distance between the valve seat and the heating element is achieved, whereby more heat can reach the valve seat.
  • the heating element is a PTC heating element, which is inexpensive to produce and requires little space.
  • the heating element is arranged at a distance from the valve guide member. This simplifies the assembly by independent from the management body installation.
  • the heating element is connected via power lines, which are guided through the housing to the outside, with a plug which is connected to the engine control unit. So no power lines must be passed through the housing, but the heating element can be mounted directly to the plug together and controlled according to the values of the motor control.
  • a moisture sensor is arranged in the channel.
  • a heating of the heating element can then be carried out, as a result of which condensation can be reliably avoided.
  • An arrangement of a temperature sensor in the channel or on the housing additionally improves the control in order to prevent condensation by avoiding this by heating the heating element.
  • a continuation of the method is closed on a condensate formation in dependence on engine map data. These are stored in the engine control, so that in operating conditions in which condensation is expected, can be responded by heating the heating element, so that energy consumption occurs only when actually heating is necessary.
  • condensate formation is concluded as a function of the measured values of the temperature sensor and / or the moisture sensor, and thus the heating element is heated in order to be able to reliably reduce solid deposits due to condensate formation.
  • a further improvement is achieved if the heating element is energized at outside temperatures less than 0 ° C before the engine start, in order to cancel any existing ice formation and so to ensure the functionality of the control valve already at engine start. This can for example be done immediately when opening the vehicle or when pressing the central locking.
  • Such a control valve has the advantage of a possible heating of the entire wall surfaces and in particular the surfaces on which a relative movement of the components takes place to each other.
  • This is used according to the invention to avoid condensation in the control valve, because it has been shown that in particular solid deposits that limit the functioning of the control valve, caused by impurities dissolved in the water, which form the solid deposits on evaporation of the water.
  • the construction of the control valve according to the invention and the method according to the invention for regulating the valve thus ensure the functionality and mobility of the valve over a long service life.
  • the energy consumption is reduced because only in the phases is energized, in which the formation of such deposits is expected. By preventing condensation in the valve, the life and controllability of the control valve is so reliably improved as deposits are reduced.
  • control valve according to the invention for an internal combustion engine as well as the associated method for regulating this valve will be described below with reference to an exhaust gas recirculation valve shown in FIG.
  • the figure shows a side view of a control valve according to the invention in a partially sectioned illustration.
  • the control valve shown in the figures which can be used in particular as an exhaust gas recirculation valve in an internal combustion engine, consists of a housing 10 which is inserted into an opening of a flow housing, not shown, through which exhaust gas flows.
  • the housing 10 has a radial inlet 12 and an axial outlet 14, which are connected to one another via a channel 16, so that exhaust gas via the inlet 12 into the channel 16 and with open control valve via the outlet 14 again flow out of the housing 10 can.
  • a flow cross-section of the housing 10 is surrounded over its circumference by a valve seat 18, which is fastened to the housing 10, but can also be formed directly on the housing 10.
  • the flow cross-section can be controlled via a valve body 20, which can be lowered onto the valve seat 18 or lifted off from it.
  • the valve body 20 is attached to a valve rod 22, at its opposite end to the valve body 20 a coupling body 24 is fixed, in which a link 26 is formed, in which a pin 28 projects, on which a ball bearing 30 is arranged, which in the backdrop 26 rolls off.
  • the Pin 28 is attached to an eccentric 32, which serves as a driven member of a transmission 34 which is driven by an electric motor 36.
  • the gear 34 forms with the electric motor 36 an actuator 38 which is arranged in an actuator housing 40.
  • valve rod 22 is axially guided in a valve guide member 42 which is fixed in a central, axially extending opening 44 of the housing 10, in which between the valve guide member 42 and the coupling body 24, a seal 46 is arranged, which surrounds the valve rod 22 immediately.
  • the valve rod 22 is surrounded by a shielding element 47, which axially adjoins the valve guide member 42 and has only a very small gap to the valve rod 22 at its opposite end, which projects from the opening 44 in the channel 16 , so that deposits on the valve rod 22 are removed when the valve rod 22 is actuated.
  • the eccentric 32 is arranged in a gear chamber 48 which, viewed in the direction of the channel 16, is delimited by a wall surface 50.
  • an annular axial groove 52 is arranged concentrically to the valve rod 22, in which according to the invention an annular heating element 54 is fixed.
  • This heating element 54 is designed as an electric PTC heating element, to which a plug 56 is formed for electrical connection via power lines 55, wherein the power lines 55 protrude from the gear chamber 48 through the housing 10, so that the plug 56 via further lines in the valve outer space with an engine control unit 57 can be connected.
  • a return spring 58 is additionally arranged, which surrounds the valve rod 22 and is clamped between the heating element 54 and the coupling body 24, so that the return spring 58, the valve body 20 always loaded in the direction of the valve seat 18. additionally As a result, the heating element 54 is pressed axially into the axial groove 52 and thus fixed. In particular, the heat of the heating element 54 is discharged when energized via a bottom 60 of the heating element 54 to the housing 10, wherein a particularly good heat-conducting contact with the groove bottom of the housing 10 is ensured by the axial bias.
  • This contact causes the heat via an axially first housing portion 62, in which the heating element 54 is arranged is particularly well directed to a second axial housing portion 64 in which the valve seat 18 is formed, so that this is sufficiently heated.
  • the diameter of the heating element 54 is possibly as large as the diameter of the valve seat 18 in order to overcome the smallest possible distance in the heat transfer. Accordingly, not only the nearby located valve guide member, but also the valve seat and the surrounding walls of the channel 16 is heated, so that condensation in the region of the valve on the cold components can be largely prevented.
  • the heating element 54 of the control valve according to the invention is always energized in the phases in which a condensation of water is to be expected from the exhaust gas actually. This is to be expected especially in phases in which a low exhaust gas temperature or low external temperatures are to be expected.
  • a corresponding characteristic map in which various operating states of the internal combustion engine and the condensation to be expected in these operating states are stored can then be used to control the heating element 54. This can also be done depending on the respective position of the exhaust gas recirculation valve.
  • the measured values of a temperature sensor 68 can also be used for activation, which either measures the outside temperature, as a function of which the heating element is energized or which can be arranged directly in the channel 16 make this energization depending on the actual temperature in the channel 16.
  • a temperature sensor 68 can also be used for activation, which either measures the outside temperature, as a function of which the heating element is energized or which can be arranged directly in the channel 16 make this energization depending on the actual temperature in the channel 16.
  • a moisture sensor 66 can also be arranged in the channel 16, as a function of which the flow of the Fleizimplantations 54, whereby also reliably a condensation between the relatively movable parts of the control valve can be prevented.
  • Such a designed control valve has significantly fewer deposits, as solid residues that arise due to the water present in the exhaust gas and settle on the wall surfaces and moving parts of the valve, are reliably reduced. A burn off the valve rod or the valve seat is thus often no longer necessary.
  • the method according to the invention results in that heating takes place only when formation of deposits due to condensation is to be feared. Both in phases in which much water vapor is present in the exhaust gas and at low exhaust gas temperatures or at high temperature differences between the wall surfaces and the exhaust gas there is the possibility of increased condensation, which is largely avoided by the heating of the entire control valve by means of the Fleizettis.
  • the heating can be switched on without the control valve To heat constantly, so that the energy consumption is reduced by the formation of deposits, not as in known processes dissolved, but the emergence is prevented. It should be clear that other constructive embodiments of the control valve or arrangements of the heating element are optionally suitable to carry out the inventive method.

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Abstract

Regelventile für Verbrennungsmotoren mit einem Gehäuse (10), in dem ein Kanal (16) zwischen einem Einlass (12) und einem Auslass (14) ausgebildet ist, einem Ventilkörper (20), der an einer Ventilstange (22) befestigt ist und auf einen Ventilsitz (18) am Gehäuse (10), der einen Durchströmungsquerschnitt im Kanal (16) begrenzt, absenkbar und von dem Ventilsitz (18) abhebbar ist, einem Ventilführungsorgan (42), das in einer zentralen Öffnung (44) des Gehäuses (10) angeordnet ist und in dem die Ventilstange (22) geführt ist, einem Aktor (38) mittels dessen die Ventilstange (22) bewegbar ist, und einem Heizelement (54), sind ebenso bekannt wie Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit einem Heizelement. Um Ablagerungen im Regelventil zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Heizelement (54) ringförmig ausgebildet ist und in einer korrespondierenden ringförmigen Axialnut (52) am Gehäuse (10) angeordnet ist und das Ventilführungsorgan (42) umgibt. Des Weiteren sind diese Ablagerungen durch ein Verfahren vermeidbar, bei dem das Heizelement (54) in Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors bestromt wird, in denen eine Kondensatbildung erwartet wird.

Description

B E S C H R E I B U N G
Regelventil für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur
Regelung eines Regelventils
Die Erfindung betrifft ein Regelventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse, in dem ein Kanal zwischen einem Einlass und einem Auslass ausgebildet ist, einem Ventilkörper, der an einer Ventilstange befestigt ist und auf einen Ventilsitz am Gehäuse, der einen Durchströmungsquerschnitt im Kanal begrenzt, absenkbar und von dem Ventilsitz abhebbar ist, einem Ventilführungsorgan, das in einer zentralen Öffnung des Gehäuses angeordnet ist und in dem die Ventilstange geführt ist, einem Aktor mittels dessen die Ventilstange bewegbar ist, und einem Heizelement.
Derartige Regelventile sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden beispielsweise als Abgasrückführ- oder auch Sekundärluftventile im Kraftfahrzeug verwendet. Üblicherweise werden diese Ventile mittels elektrischer Aktoren betätigt, deren Drehbewegung über ein Getriebe in eine translatorische Bewegung einer Ventilstange umgewandelt wird, auf der der mit dem Ventilsitz korrespondierende Ventilkörper angeordnet ist. Der Einbau insbesondere im Abgasbereich eines Kraftfahrzeugs führt dazu, dass ein derartiges Regelventil den unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt ist. Sowohl die im Abgas vorhandenen Schadstoffe, als auch die äußeren Umwelteinflüsse und Temperaturen wirken sich auf die Funktion eines solchen Ventils aus. So können beispielsweise Schmutz- oder auch Abgaspartikel zu einer Schwergängigkeit des Ventils bis hin zum Festsetzen des Ventils aufgrund von sich bildenden Ablagerungen oder Verklebungen führen. Bei extremen Wetterbedingungen, wie beispielsweise starkem Frost kann auch ein Festfrieren der Ventilstange in der Führung oder des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz insbesondere bei noch kaltem Verbrennungsmotor auftreten.
Um diese Nachteile wirkungsvoll zu verhindern, ist es aus der FR 2 944 333 bekannt, um eine Führungs- bzw. Lagerhülse herum ein ringförmiges Element mit Heizdrähten vorzusehen, welches entweder direkt als Ventilführung dient oder zumindest unmittelbar an der Ventilführung anliegt. Diese Heizdrähte erwärmen sich durch Bestromung, so dass die Ventilführung erwärmt wird. Hierdurch sollen vorhandene Ablagerungen an der Ventilstange durch Pyrolyse aufgelöst werden. Eine derartige Ausführungsform ist aufwendig und daher teuer im konstruktiven Aufbau. In welchen Zuständen diese Pyrolyse durchgeführt wird, wird nicht offenbart.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2014 109 273 Al ein Regelventil bekannt, dessen Ventilführung ebenfalls über ein oder mehrere PTC-Elemente erwärmt werden kann. Dabei bildet entweder das Heizelement selber die Ventilführung oder ist direkt mit diesem verbaut. Eine Beheizung dieser Heizelemente erfolgt insbesondere, falls ein Festsitzen der Ventilstange durch gefrorenes Wasser festgestellt wird.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Montage dieser integrierten Heizelemente sehr schwierig ist, da sie über einen langen Weg mit der Führungsbuchse eingepresst werden müssen. Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass die an der Ventilstange vorhandenen Ablagerungen nur sehr schwer durch Erwärmung aufzulösen sind, so dass ein hoher Energiebedarf entsteht, ohne dass eine ausreichende Auflösung der Ablagerungen sichergestellt werden kann. Zusätzlich wird ein Blockieren durch Ablagerungen oder Eisbildung im Bereich des Ventilsitzes festgestellt. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Regelventil zu schaffen, bei dem über lange Zeit die Funktionsfähigkeit des Regelventils sichergestellt wird, indem möglichst die Bildung von Ablagerungen vermieden wird. Zusätzlich soll es möglich sein, weitestgehend im gesamten bewegbaren Ventilbereich Ablagerungen verhindern oder auflösen zu können. Der Aufbau und die Montage eines derartigen Regelventils soll möglichst einfach und kostengünstig sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Regelventil für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Dadurch, dass das Heizelement ringförmig ausgebildet ist und in einer korrespondierenden ringförmigen Axialnut am Gehäuse angeordnet ist und das Ventilführungsorgan umgibt, wird die Wärme an das komplette Gehäuse und somit sowohl an die Ventilführung als auch in Richtung des Ventilsitzes abgegeben, wodurch Ablagerungen sowohl an der Ventilstange als auch am Ventilkörper verhindert werden können. Vor allem ist ein solches Heizelement einfach aktorseitig in das Gehäuse einlegbar und so mit geringem Aufwand kostengünstig und schadenfrei zu montieren.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst, indem das Heizelement in Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors bestromt wird, in denen eine Kondensatbildung erwartet wird. Durch die Beheizung des gesamten durchströmten Gehäuses kann eine Kondensation an den Wänden und am Ventil selbst weitestgehend verhindert werden, welche der Hauptgrund für das Festbacken der Ablagerungen an den Wänden und am Ventil ist. Im auskondensierenden Wasser sind vielfach Schmutzstoffe enthalten, die durch nachfolgende Verdampfung des Wassers schwer lösbare Ablagerungen bilden, was durch das vorliegende Verfahren verhindert wird, da sich deutlich weniger Ablagerungen überhaupt bilden. Derartige Kondensatbildungen mit folgenden Ablagerungen sind sowohl in Betriebsbereichen des Motors zu erwarten, in denen sehr viel Wasserdampf im Abgas gelöst ist als auch in Bereichen, in denen die Abgastemperaturen nicht so hoch sind, wie beispielsweise in niedrigen Lastzuständen. Vor allem bei großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Gehäuse und dem wasserhaltigen Abgas, wie in der Warmlaufphase, tritt normalerweise eine Kondensation des Wassers an den Wandflächen beziehungsweise am Ventil auf. Durch die Erwärmung des Gehäuses und des Ventils wird diese Kondensation verhindert, so dass das Wasser als Wasserdampf dem Verbrennungsmotor wieder zugeführt wird. Ablagerungen werden so zuverlässig verhindert.
Eine besonders einfache Montage des Heizelementes ergibt sich, wenn eine Rückstellfeder axial gegen das Heizelement vorgespannt anliegt, wodurch das Heizelement in der Nut gehalten wird. Somit kann auf zusätzliche Befestigungsmittel verzichtet werden, wodurch auch die Herstellkosten gesenkt werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist das Heizelement in der Axialnut eingepresst. Dies ermöglicht einen festen Sitz des Heizelementes auch ohne die Anlage der Feder. Ein Lösen wird so zuverlässig verhindert. Des Weiteren wird durch die enge Toleranz eine ganzflächige Anlage des Heizelementes zum Gehäuse hergestellt, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird.
Vorzugsweise ist ein erster Gehäuseabschnitt, in dem das Heizelement angeordnet ist, einstückig mit einem zweiten Gehäuseabschnitt ausgebildet, in dem der Ventilsitz ausgebildet ist. So wird ein guter Wärmeübergang zum Ventilsitz und zum Führungskörper sichergestellt, und somit die Abschnitte erreicht, in denen Ablagerungen zu einer Fehlfunktion des Regelventils führen könnten. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Heizelement und der Ventilsitz konzentrisch zur Ventilstange angeordnet und weisen einen derartigen Durchmesser auf, dass in Axialrichtung betrachtet zumindest teilweise eine Überdeckung des Ventilsitzes und des Heizelementes vorliegt. Entsprechend wird ein minimaler Abstand zwischen dem Ventilsitz und dem Heizelement erreicht, wodurch mehr Wärme zum Ventilsitz gelangen kann.
Vorzugsweise ist das Heizelement ein PTC-Heizelement, welches kostengünstig herstellbar ist und wenig Bauraum benötigt.
In einer weiterführenden Ausführung ist das Heizelement beabstandet zum Ventilführungsorgan angeordnet. Dies vereinfacht die Montage durch den vom Führungsorgan unabhängigen Einbau.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Heizelement über Stromleitungen, die durch das Gehäuse nach außen geführt sind, mit einem Stecker verbunden, der mit dem Motorsteuergerät verbunden ist. So müssen keine Stromleitungen weiter durch das Gehäuse geführt werden, sondern das Heizelement kann direkt mit dem Stecker gemeinsam montiert werden und entsprechend der Werte der Motorsteuerung angesteuert werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn im Kanal ein Feuchtigkeitsensor angeordnet ist. In Abhängigkeit der Werte des Feuchtigkeitsensors kann dann eine Erwärmung des Heizelementes durchgeführt werden, wodurch eine Kondensation zuverlässig vermieden werden kann.
Auch eine Anordnung eines Temperatursensors im Kanal oder am Gehäuse verbessert zusätzlich die Steuerung, um eine Kondensation zu verhindern, indem diese durch Erwärmung des Heizelementes vermieden wird. In einer Weiterführung des Verfahrens wird auf eine Kondensatbildung in Abhängigkeit von Motorkennfelddaten geschlossen. Diese werden in der Motorsteuerung hinterlegt, so dass bei Betriebsbedingungen, in denen eine Kondensation erwartet wird, durch ein Heizen des Heizelementes reagiert werden kann, so dass ein Energieverbrauch nur erfolgt, wenn tatsächlich eine Erwärmung notwendig ist.
Alternativ oder zusätzlich wird auf eine Kondensatbildung in Abhängigkeit der Messwerte des Temperatursensors und/oder des Feuchtigkeitsensors geschlossen und somit das Heizelement beheizt, um feste Ablagerungen aufgrund der Kondensatbildung zuverlässig reduzieren zu können.
Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn das Heizelement bei Außentemperaturen kleiner 0°C vor dem Motorstart bestromt wird, um gegebenenfalls vorhandene Eisbildung aufheben zu können und so die Funktionsfähigkeit des Regelventils bereits beim Motorstart sicherstellen zu können. Dies kann beispielsweise unmittelbar beim Öffnen des Fahrzeugs beziehungsweise beim Betätigen der Zentralverriegelung erfolgen.
Ein derartiges Regelventil bietet den Vorteil einer möglichen Erwärmung der gesamten Wandflächen und insbesondere der Flächen, an denen eine Relativbewegung der Bauteile zueinander stattfindet. Dies wird erfindungsgemäß dazu genutzt, eine Kondensation im Regelventil zu vermeiden, denn es hat sich gezeigt, dass insbesondere feste Ablagerungen, die die Funktionsfähigkeit des Regelventils einschränken, durch im Wasser gelöste Verunreinigungen entstehen, die bei Verdunstung des Wassers die festen Ablagerungen bilden. Durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Regelventils sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln des Ventils wird so die Funktionsfähigkeit und Beweglichkeit des Ventils über eine lange Lebensdauer sichergestellt. Zusätzlich wird der Energieverbrauch reduziert, da nur in den Phasen bestromt wird, in denen die Bildung derartiger Ablagerungen zu erwarten ist. Durch das Verhindern der Kondensation im Ventil wird die Lebensdauer und Regelbarkeit des Regelventils so zuverlässig verbessert, da Ablagerungen reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Regelventil für einen Verbrennungsmotor wird ebenso wie das zugehörige Verfahren zum Regeln dieses Ventils anhand eines in Figur 1 dargestellten Abgasrückführventils im Folgenden beschrieben.
Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Regelventils in teilweise geschnittener Darstellung.
Das in den Figuren dargestellte Regelventil, welches insbesondere als Abgasrückführventil in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann, besteht aus einem Gehäuse 10, welches in eine Öffnung eines nicht dargestellten Strömungsgehäuses, durch welches Abgas strömt, eingesteckt wird. Hierzu weist das Gehäuse 10 einen radialen Einlass 12 sowie einen axialen Auslass 14 auf, die über einen Kanal 16 miteinander verbunden sind, so dass Abgas über den Einlass 12 in den Kanal 16 und bei geöffnetem Regelventil über den Auslass 14 wieder aus dem Gehäuse 10 ausströmen kann.
Ein Durchströmungsquerschnitt des Gehäuses 10 ist über seinen Umfang von einem Ventilsitz 18 umgeben, der am Gehäuse 10 befestigt ist, aber auch direkt am Gehäuse 10 ausgebildet sein kann. Der Durchströmungsquerschnitt ist über einen Ventilkörper 20 regelbar, der hierzu auf den Ventilsitz 18 absenkbar oder von diesem abhebbar ist. Der Ventilkörper 20 ist an einer Ventilstange 22 befestigt, an deren zum Ventilkörper 20 entgegengesetzten Ende ein Koppelkörper 24 befestigt ist, in dem eine Kulisse 26 ausgebildet ist, in die ein Zapfen 28 ragt, auf der ein Kugellager 30 angeordnet ist, welches in der Kulisse 26 abrollt. Der Zapfen 28 ist an einem Exzenter 32 befestigt, der als Abtriebsglied eines Getriebes 34 dient, welches über einen Elektromotor 36 angetrieben wird. Das Getriebe 34 bildet mit dem Elektromotor 36 einen Aktor 38, der in einem Aktorgehäuse 40 angeordnet ist.
Die Ventilstange 22 wird in einem Ventilführungsorgan 42 axial geführt, welches in einer zentralen, sich axial erstreckenden Öffnung 44 des Gehäuse 10 befestigt ist, in der zwischen dem Ventilführungsorgan 42 und dem Koppelkörper 24 eine Dichtung 46 angeordnet ist, welche die Ventilstange 22 unmittelbar umgibt. Im zum Ventilkörper 20 weisenden Bereich ist die Ventilstange 22 von einem Abschirmelement 47 umgeben, welches sich an das Ventilführungsorgan 42 axial anschließt und an seinem entgegengesetzten Ende, welches aus der Öffnung 44 in den Kanal 16 ragt, lediglich einen sehr geringen Spalt zur Ventilstange 22 aufweist, so dass auf der Ventilstange 22 vorhandene Ablagerungen bei Betätigen der Ventilstange 22 abgestreift werden.
Der Exzenter 32 ist in einem Getrieberaum 48 angeordnet, der in Richtung des Kanals 16 betrachtet durch eine Wandfläche 50 begrenzt wird. In dieser Wandfläche 50 ist eine ringförmige Axialnut 52 konzentrisch zur Ventilstange 22 angeordnet, in welcher erfindungsgemäß ein ringförmiges Heizelement 54 befestigt ist. Dieses Heizelement 54 ist als elektrisches PTC-Heizelement ausgebildet, an dem zur elektrischen Anbindung über Stromleitungen 55 ein Stecker 56 ausgebildet ist, wobei die Stromleitungen 55 aus dem Getrieberaum 48 durch das Gehäuse 10 ragen, so dass der Stecker 56 über weiterführende Leitungen im Ventilaußenraum mit einem Motorsteuergerät 57 verbunden werden kann.
Im Getrieberaum 48 ist zusätzlich eine Rückstellfeder 58 angeordnet, welche die Ventilstange 22 umgibt und zwischen dem Heizelement 54 und dem Koppelkörper 24 eingespannt ist, so dass die Rückstellfeder 58 den Ventilkörper 20 immer in Richtung des Ventilsitzes 18 belastet. Zusätzlich wird hierdurch das Heizelement 54 axial in die Axialnut 52 gepresst und somit fixiert. Insbesondere wird die Wärme des Heizelementes 54 bei Bestromung über einen Boden 60 des Heizelementes 54 an das Gehäuse 10 abgegeben, wobei durch die axiale Vorspannung ein besonders gut wärmeleitender Kontakt zum Nutgrund des Gehäuses 10 sichergestellt wird. Dieser Kontakt führt dazu, dass die Wärme über einen axial ersten Gehäuseabschnitt 62, in dem das Heizelement 54 angeordnet ist besonders gut zu einem zweiten axialen Gehäuseabschnitt 64 geleitet wird, in dem der Ventilsitz 18 ausgebildet ist, so dass auch dieser ausreichend erwärmt wird. Hierzu ist der Durchmesser des Heizelementes 54 möglichst etwa so groß wie der Durchmesser des Ventilsitzes 18, um eine möglichst kleine Entfernung bei der Wärmeübertragung überwinden zu müssen. Entsprechend wird nicht nur das in der Nähe befindliche Ventilführungsorgan, sondern auch der Ventilsitz und die umliegenden Wände des Kanals 16 erwärmt, so dass eine Kondensation im Bereich des Ventils an den kalten Bauteilen weitestgehend verhindert werden kann.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird das Heizelement 54 des Regelventils erfindungsgemäß immer in den Phasen bestromt, in denen tatsächlich eine Kondensation von Wasser aus dem Abgas zu erwarten ist. Dies ist vor allem in Phasen zu erwarten, in denen eine geringe Abgastemperatur oder geringe äußere Temperaturen zu erwarten sind. Ein entsprechendes Kennfeld, in dem verschiedene Betriebszustände des Verbrennungsmotors sowie die in diesen Betriebszuständen zu erwartende Kondensation hinterlegt wird, kann dann zur Ansteuerung des Heizelementes 54 benutzt werden. Auch kann dies in Abhängigkeit der jeweiligen Stellung des Abgasrückführventils erfolgen.
Zusätzlich oder alternativ können auch die Messwerte eines Temperatursensors 68 zur Ansteuerung benutzt werden, der entweder die Außentemperatur misst, in deren Abhängigkeit dann das Heizelement bestromt wird oder der direkt im Kanal 16 angeordnet werden kann, um diese Bestromung in Abhängigkeit der tatsächlichen Temperatur im Kanal 16 vorzunehmen. Des Weiteren wäre es auch denkbar, zusätzlich zu der Temperatur im Abgaskanal 16 auch die Wandtemperatur des Ventils zu messen, um insbesondere bei großen Differenzen eine Bestromung vorzunehmen. Zusätzlich wird es möglich bei geringen Temperaturen, in denen eine Eisbildung bei abgeschaltetem Motor zu erwarten ist, das Regelventil vor dem Start des Verbrennungsmotors zu erwärmen, um dessen Funktionsfähigkeit sicher zu stellen. Dies kann beispielsweise mit dem Betätigen der Zentralverriegelung erfolgen.
Als weitere Alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Verbesserung der Regelung kann auch im Kanal 16 ein Feuchtigkeitssensor 66 angeordnet werden, in dessen Abhängigkeit die Bestromung des Fleizelementes 54 erfolgt, wodurch ebenfalls zuverlässig eine Kondensation zwischen den relativ zueinander beweglichen Teilen des Regelventils verhindert werden kann.
Ein derartig ausgestaltetes Regelventil weist deutlich weniger Ablagerungen auf, da feste Rückstände, die durch das im Abgas vorhandene Wasser entstehen und sich an den Wandflächen und beweglichen Teilen des Ventils absetzen, zuverlässig verringert werden. Ein Freibrennen der Ventilstange oder des Ventilsitzes ist somit häufig nicht mehr erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren führt dazu, dass eine Erwärmung nur dann stattfindet, wenn eine Bildung von Ablagerungen aufgrund der Kondensation zu befürchten ist. Sowohl in Phasen, in denen viel Wasserdampf im Abgas vorhanden ist als auch bei niedrigen Abgastemperaturen oder bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen den Wandflächen und dem Abgas besteht die Möglichkeit erhöhter Kondensation, welche durch die Erwärmung des gesamten Regelventils mittels des Fleizelementes weitestgehend vermieden wird. So kann in der Warmlaufphase, vor dem Start oder in niedrigen Lastbereichen die Beheizung eingeschaltet werden, ohne das Regelventil ständig beheizen zu müssen, so dass auch der Energieverbrauch reduziert wird, indem die Bildung von Ablagerungen, nicht wie in bekannten Verfahren aufgelöst, sondern die Entstehung verhindert wird. Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausgestaltungen des Regelventils beziehungsweise Anordnungen des Heizelementes gegebenenfalls geeignet sind das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Regelventil für einen Verbrennungsmotor mit
einem Gehäuse (10), in dem ein Kanal (16) zwischen einem Einlass (12) und einem Auslass (14) ausgebildet ist,
einem Ventilkörper (20), der an einer Ventilstange (22) befestigt ist und auf einen Ventilsitz (18) am Gehäuse (10), der einen Durchströmungsquerschnitt im Kanal (16) begrenzt, absenkbar und von dem Ventilsitz (18) abhebbar ist,
einem Ventilführungsorgan (42), das in einer zentralen Öffnung (44) des Gehäuses (10) angeordnet ist und in dem die Ventilstange (22) geführt ist,
einem Aktor (38) mittels dessen die Ventilstange (22) bewegbar ist, und einem Heizelement (54),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (54) ringförmig ausgebildet ist und in einer korrespondierenden ringförmigen Axialnut (52) am Gehäuse (10) angeordnet ist und das Ventilführungsorgan (42) umgibt.
2. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das ringförmige Heizelement (54) die Wärme über einen am Gehäuse (10) axial aufliegenden Boden (60) abgibt.
3. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Rückstellfeder (58) axial gegen das Heizelement (54) vorgespannt anliegt.
4. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (54) in der Axialnut (52) eingepresst ist.
5. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Gehäuseabschnitt (62), in dem das Heizelement (54) angeordnet ist, einstückig mit einem zweiten Gehäuseabschnitt (64) ausgebildet ist, in dem der Ventilsitz (18) ausgebildet ist.
6. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (54) und der Ventilsitz (18) konzentrisch zur Ventilstange (22) angeordnet sind und einen derartigen Durchmesser aufweisen, dass in Axialrichtung betrachtet zumindest teilweise eine Überdeckung des Ventilsitzes (18) und des Heizelementes (54) vorliegt.
7. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (54) ein PTC-Heizelement ist.
8. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (54) beabstandet zum Ventilführungsorgan (42) angeordnet ist.
9. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (54) über Stromleitungen (55), die durch das Gehäuse (10) nach außen geführt sind, mit einem Stecker (56) verbunden ist, der mit dem Motorsteuergerät (57) verbunden ist.
10. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Kanal (16) ein Feuchtigkeitsensor (66) angeordnet ist.
11. Regelventil für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Kanal (16) oder am Gehäuse (10) ein Temperatursensor (68) angeordnet ist.
12. Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit einem Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (54) in Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors bestromt wird, in denen eine Kondensatbildung erwartet wird.
13. Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit einem Heizelement nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf eine Kondensatbildung in Abhängigkeit von Motorkennfelddaten geschlossen wird.
14. Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit einem Heizelement nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf eine Kondensatbildung in Abhängigkeit der Messwerte des Temperatursensors (68) und/oder des Feuchtigkeitsensors (66) geschlossen wird.
15. Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit einem Heizelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (54) bei Außentemperaturen kleiner 0°C vor dem Motorstart bestromt wird.
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