WO2009103378A1 - Regeleinrichtung, insbesondere zur abgasrückführung an brennkraftmaschinen - Google Patents

Regeleinrichtung, insbesondere zur abgasrückführung an brennkraftmaschinen Download PDF

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WO2009103378A1
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Verena BRÄUTIGAM
Jörg RATHMANN
Peter Schaaf
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Schaeffler Kg
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    • F16C19/26—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly with a single row of rollers

Definitions

  • the invention relates to a control device according to the preamble forming features of claim 1, and it is particularly advantageous for the throttle valve bearings for pivotal mounting of the throttle shaft of a control device for exhaust gas recirculation to internal combustion engines applicable.
  • the exhaust gas recirculation of internal combustion engines is currently part of many engine concepts to meet the prescribed emission limits, especially in Europe. It serves to reduce nitrogen oxides in the combustion of fuels in gasoline and diesel engines by a part of the combustion exhaust gases are deliberately fed back into the combustion chamber of the internal combustion engine. The resulting mixture of fresh and exhaust gas has a lower calorific value relative to the volume and therefore no longer reaches the temperature required in the combustion chamber for the formation of nitrogen oxide.
  • Such a control device for external exhaust gas recirculation to internal combustion Machines are known, for example, from DE 10 2004 043 125 A1 and consist essentially of a throttle body with a gas duct and a throttle valve which controls the gas passage through the gas duct and is connected to a throttle shaft extending transversely through the gas duct and pivotable by an adjusting device ,
  • the throttle shaft is mounted on both sides of the gas channel in two arranged in the throttle body throttle valve bearings, each formed by a steel sheet consisting of a needle and a plurality in each of a needle cage out and rolling between the throttle shaft and the needle sleeve bearing needles and by several seals against the Throughflow of exhaust gas condensates are sealed.
  • the condensate first forms a rust layer on the outer edges of the needle sleeves, which spreads over their production-related cut edges into the interior of the needle sleeves and progresses to the seals of the throttle valve bearing. As the corrosion progresses further, the seals undergo rust undercuts, as a result of which damage and failure of the throttle flap bearings are associated with the functional failure of the throttle valve and can ultimately be the cause of the vehicle remaining stationary.
  • the invention is therefore based on the object to design a control device, in particular for exhaust gas recirculation to internal combustion engines, ensure the throttle bearing durable corrosion protection against exhaust gas condensates and against acidic media and by a cost Characterize manufacturability.
  • this object is achieved in a control device according to the preamble of claim 1 such that at least the needle sleeves of both throttle valve bearings are made of a high-alloy corrosion-resistant steel sheet and without further heat and / or surface treatment are made by cutting without cutting.
  • the invention is thus based on the finding that the use of a corrosion-resistant steel sheet for the needle sleeves of the throttle valve bearings of an exhaust gas recirculation control device makes it possible in a simple manner to effectively prevent rust formation from exhaust gas condensates, especially inside the needle sleeves.
  • the higher cost of such a high quality material are thereby at least partially compensated by the fact that no further heat and / or surface treatments of the needle sleeves are more necessary because the surface hardness of the material used is also untreated sufficient to the relatively low stresses on such throttle bearings suffice.
  • Preferred embodiments and developments of the inventively designed control device are described in the subclaims.
  • the needle cages both throttle valve bearings consist of a high-alloy corrosion-resistant steel sheet and without further heat and / or surface treatment are made by cutting without cutting. Since the needle cages of the throttle valve bearings are affected by the formation of rust resulting from exhaust gas condensates in the throttle valve bearing, such a measure can contribute to the completion of the overall measures in terms of corrosion protection on the camp and thus contribute to extending the bearing life. In this case, a further improvement of the cage properties can be achieved by an additional hardening of the needle cages, since this counteracts premature wear due to the frictional contact with the hardened bearing needles.
  • the throttle shaft is made of a steel having a hardness of at least 250 HV10 and the raceways of the bearing needles in the needle sleeves have just such a minimum hardness.
  • the hardness of the throttle valve shaft according to the minimum hardness of the raceways in the needle sleeves is necessary in order to produce by the rolling on both components hardened bearing needles no wear.
  • a steel sheet of the grade X5CrNi1810 is preferably used as the material for both the needle sleeves and the needle cages of both throttle valve bearings, in order to meet the requirements described above.
  • This material is characterized above all by a good formability and the fact that no environmentally harmful chlorine-containing Ziehöle must be used for its transformation.
  • this material already has a surface hardness due to the strain hardening resulting during the forming, which is sufficient for the intended application and which in the previously described used materials could only be achieved by an additional heat treatment.
  • Figure 1 is an overall view of a cross section through an inventively designed control device for exhaust gas recirculation to internal combustion engines;
  • FIG. 2 is an enlarged view of a first embodiment of a throttle valve bearing of the inventively designed control device
  • FIG. 3 shows an enlarged view of a second embodiment of a throttle valve bearing of the control device designed according to the invention.
  • FIG. 1 clearly shows control device 1 for exhaust gas recirculation on internal combustion engines, which essentially consists of a throttle body 2 with a gas channel 3 and a throttle valve 4 regulating the gas passage through the gas duct 3, the throttle valve 4 extending transversely through the gas channel 3 and through a control device 5 pivotable Dros- be flapper shaft 6 is connected.
  • the throttle shaft 6 is mounted on both sides of the gas channel 3 in two arranged in the throttle body 2 throttle valve bearings 7, 8, each formed by a steel sheet consisting of a needle sleeve 9, 10 and by a plurality in a needle cage 11, 12 guided bearing needles 13, 14 which respectively roll between the throttle shaft 6 and the needle sleeve 9, 10.
  • FIGS. 2 and 3 make clear that the throttle valve bearings 7, 8 also have on both sides of the needle cages 11, 12 a plurality of seals 15, 16, 17, by which the throttle valve bearings 7, 8 are sealed against the passage of exhaust gas condensates.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung (1) zur Abgasrückführung an Brennkraftmaschinen, welche im Wesentlichen aus einem Drosselklappengehäuse (2) mit einem Gaskanal (3) sowie einer den Gasdurchlass durch den Gaskanal (3) regelnden Drosselklappe (4) besteht, die mit einer quer durch den Gaskanal (3) verlaufenden und durch eine Stelleinrichtung (5) verschwenkbaren Drosselklappenwelle (6) verbunden ist. Dabei ist die Drosselklappenwelle (6) beidseitig des Gaskanals (3) in zwei im Drosselklappengehäuse (2) angeordneten Drosselklappenlagern (7, 8) gelagert, die jeweils durch eine aus einem Stahlblech bestehende Nadelhülse (9, 10) und durch eine Vielzahl in jeweils einem Nadelkäfig (11, 12) geführter sowie zwischen der Drosselklappenwelle (6) und der Nadelhülse (9, 10) abrollender Lagernadeln (13, 14) gebildet werden und durch mehrere Dichtungen (15, 16, 17) gegen das Durchströmen von Abgaskondensaten abgedichtet sind. Erfindungsgemäß bestehen zumindest die Nadelhülsen (9, 10) beider Drosselklappenlager (7, 8) aus einem hochlegierten korrosionsbeständigen Stahlblech und sind ohne weitere Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung spanlos durch Tiefziehen hergestellt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Regeleinrichtung, insbesondere zur Abgasrückführung an
Brennkraftmaschinen
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 , und sie ist insbesondere vorteilhaft an den Drosselklappenlagern zur Schwenklagerung der Drosselklappenwelle einer Regeleinrichtung zur Abgasrückführung an Brennkraftmaschinen anwendbar.
Hintergrund der Erfindung
Die Abgasrückführung an Brennkraftmaschinen ist gegenwärtig Bestandteil vieler Motoren konzepte zur Erfüllung der vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte vor allem in Europa. Sie dient der Minderung von Stickstoffoxiden bei der Verbrennung von Kraftstoffen in Otto- und Dieselmotoren, indem ein Teil der Verbrennungsabgase gezielt zurück in den Brennraum der Brennkraftmaschine geführt werden. Das dabei entstehende Gemisch aus Frisch- und Abgas besitzt einen bezogen auf das Volumen niedrigeren Brennwert und erreicht daher nicht mehr die für die Stickstoffoxidbildung erforderliche Temperatur im Brenn- räum. Derzeit wird zwischen zwei Methoden der Abgasrückführung an Brennkraftmaschinen unterschieden, nämlich zum einen einer internen Abgasrückführung durch Überschneidungen bei den Ventilöffnungszeiten mittels Nockenwellenverstellung oder variabler Ventiltriebe und zum anderen einer externen Abgasrückführung mittels einer Rückführungsleitung zwischen Abgas- und Ansaugtrakt und einer in der Rückführungsleitung angeordneten Regeleinrichtung zur Steuerung der Durchsatzrate.
Eine solche Regeleinrichtung zur externen Abgasrückführung an Brennkraft- maschinen ist beispielsweise aus der DE 10 2004 043 125 A1 bekannt und besteht im Wesentlichen aus einem Drosselklappengehäuse mit einem Gaskanal sowie einer den Gasdurchlass durch den Gaskanal regelnden Drosselklappe, die mit einer quer durch den Gaskanal verlaufenden und durch eine Stell- einrichtung verschwenkbaren Drosselklappenwelle verbunden ist. Die Drosselklappenwelle ist dabei beidseitig des Gaskanals in zwei im Drosselklappengehäuse angeordneten Drosselklappenlagern gelagert, die jeweils durch eine aus einem Stahlblech bestehende Nadelhülse und durch eine Vielzahl in jeweils einem Nadelkäfig geführter sowie zwischen der Drosselklappenwelle und der Nadelhülse abrollender Lagernadeln gebildet werden und durch mehrere Dichtungen gegen das Durchströmen von Abgaskondensaten abgedichtet sind.
Bei neuen Motorengenerationen der Schadstoffklassen EU 5/US 7 hat es sich unter dauerhaften Betriebsbedingungen jedoch gezeigt, dass die Drosselklap- penlager solcher Regeleinrichtungen mit zunehmenden Mengen von sogenannten Blow-by-Gasen einer entsprechend erhöhten Menge an Abgaskondensaten ausgesetzt sind, die über die Bohrungen der Drosselklappenwelle zu den Drosselklappenlagern vordringen. Diese Abgaskondensate haben eine ölig-wässrige bis wässrig-saure Zusammensetzung, so dass die in der Regel aus einem gehärteten Wälzlagerstahl mit geringen Legierungs- und Kohlenstoffanteilen, beispielsweise aus MRST443, bestehenden Nadelhülsen der Drosselklappenlager zunächst verstärkten Angriffen von äußerer Korrosion unterliegen, die sich trotz der Mehrfachabdichtung der Drosselklappenlager auch bis in deren Inneres fortsetzt. Dabei bildet das Kondensat zunächst an den äußeren Rändern der Nadelhülsen eine Rostschicht, die sich über deren herstellungsbedingte Schnittkanten bis ins Innere der Nadelhülsen ausbreitet und bis zu den Dichtungen der Drosselklappenlager fortschreitet. Mit weiterem Fortschreiten der Korrosion kommt es dann zu Rostunterwanderungen der Dichtungen, in deren Folge es zu Beschädigungen und zum Ausfall der Dros- selklappenlager verbunden mit dem Funktionsausfall der Drosselklappe kommt und die letztlich für das Liegenbleiben des Fahrzeuges ursächlich sein können. Eine erste Gegenmaßnahme, die Korrosion der Drosselklappenlager durch eine korrosionshemmende Zink-Eisen-Beschichtung der Nadelhülsen, wie bei- spielsweise durch Corrotect®, zu vermeiden, hat sich bisher als ungeeignet erwiesen, da das säurehaltige Kondensat der Abgase das Zink der Zink-Eisen- Beschichtung anlöst und somit deren den Korrosionsschutz bewirkende opfe- ranodische Wirkung verloren geht.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Regeleinrichtung, insbesondere zur Abgasrückführung an Brennkraftmaschinen, zu konzipieren, deren Drosselklappenlager einen dauerhaften Korrosionsschutz gegen Abgas- kondensate sowie gegen saure Medien gewährleisten und sich durch eine kostengünstige Herstellbarkeit auszeichnen.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass zumindest die Nadelhülsen beider Drosselklappenlager aus einem hochlegierten korrosionsbeständigen Stahlblech bestehen und ohne weitere Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung spanlos durch Tiefziehen hergestellt sind.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass es durch den Einsatz eines korrosionsbeständigen Stahlbleches für die Nadelhülsen der Drossel- klappenlager einer Regeleinrichtung zur Abgasrückführung in einfacher Weise möglich ist, die aus Abgaskondensaten entstehende Rostbildung vor allem im Inneren der Nadelhülsen wirksam zu vermeiden. Die höheren Kosten für ein derartig hochwertigen Werkstoff werden dabei zumindest teilweise dadurch kompensiert, dass keine weiteren Wärme- und/oder Oberflächenbehandlungen der Nadelhülsen mehr notwendig sind, da die Oberflächenhärte des verwendeten Werkstoffs auch unbehandelt ausreichend ist, um den relativ geringen Beanspruchungen an solchen Drosselklappenlagern zu genügen. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäß ausgebildeten Regeleinrichtung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Re- geleinrichtung vorgesehen, dass auch die Nadelkäfige beider Drosselklappenlager aus einem hochlegierten korrosionsbeständigen Stahlblech bestehen und ohne weitere Wärme- und/ oder Oberflächenbehandlung spanlos durch Stanzziehen hergestellt sind. Da auch die Nadelkäfige der Drosselklappenlager von der aus Abgaskondensaten resultierenden Rostbildung im Drosselklappenlager betroffen sind, kann eine solche Maßnahme zur Vervollständigung der Gesamtmaßnahmen hinsichtlich des Korrosionsschutzes am Lager und damit der hinsichtlich Verlängerung der Lagerlebensdauer beitragen. Dabei kann eine weitere Verbesserung der Käfigeigenschaften durch ein zusätzliches Härten der Nadelkäfige erreicht werden, da dies einem vorzeitigen Verschleiß durch den Reibkontakt mit den gehärteten Lagernadeln entgegenwirkt.
Nach Anspruch 3 ist es ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäß ausgebildeten Regeleinrichtung, dass die Drosselklappenwelle aus einem Stahl mit einer Härte von mindestens 250 HV10 besteht und die Laufbahnen der Lager- nadeln in den Nadelhülsen eine ebensolche Mindesthärte aufweisen. Die der Härte der Drosselklappenwelle entsprechend Mindesthärte der Laufbahnen in den Nadelhülsen ist dabei notwendig, um durch die auf beiden Bauteilen abrollenden gehärteten Lagernadeln keinen Verschleiß zu erzeugen.
Gemäß Anspruch 4 wird es schließlich noch vorgeschlagen, dass als Werkstoff sowohl für die Nadelhülsen als auch für die Nadelkäfige beider Drosselklappenlager bevorzugt ein Stahlblech der Sorte X5CrNi1810 verwendet wird, um den zuvor beschriebenen Anforderungen gerecht zu werden. Dieser Werkstoff zeichnet sich vor allem durch eine gute Umformbarkeit sowie dadurch aus, dass zu dessen Umformung keine umweltbelastenden chlorhaltigen Ziehöle verwendet werden müssen. Außerdem weist dieser Werkstoff bereits durch die beim Umformen entstehende Kaltverfestigung eine Oberflächenhärte auf, die für die vorgesehene Anwendung ausreichend ist und die bei den bisher ver- wendeten Werkstoffen nur durch eine zusätzliche Wärmebehandlung erreichbar war. Als alternative Materialien für die Nadelhülsen und Nadelkäfige kommen aber auch sogenannte X4-Materialien oder auch ein Stahl der Sorte X20CM 3 in Frage, die jedoch entweder durch die notwendige Verwendung chlorhaltiger Ziehöle bei deren Umformung oder durch ihre höheren Beschaffungskosten gegenüber dem bevorzugten Stahlblech der Sorte X5CrNi1810 zu berücksichtigende Nachteile aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Regeleinrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Gesamtansicht eines Querschnittes durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Regeleinrichtung zur Abgasrückführung an Brennkraftmaschinen;
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung einer ersten Ausführung eines Drosselklappenlagers der erfindungsgemäß ausgebildeten Regeleinrichtung;
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung einer zweiten Ausführung eines Drosselklappenlagers der erfindungsgemäß ausgebildeten Re- geleinrichtung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus Figur 1 geht deutlich Regeleinrichtung 1 zur Abgasrückführung an Brenn- kraftmaschinen hervor, welche im Wesentlichen aus einem Drosselklappengehäuse 2 mit einem Gaskanal 3 sowie einer den Gasdurchlass durch den Gaskanal 3 regelnden Drosselklappe 4 besteht, die mit einer quer durch den Gaskanal 3 verlaufenden und durch eine Stelleinrichtung 5 verschwenkbaren Dros- sei klappenwelle 6 verbunden ist. Dabei ist die Drosselklappenwelle 6 beidseitig des Gaskanals 3 in zwei im Drosselklappengehäuse 2 angeordneten Drosselklappenlagern 7, 8 gelagert, die jeweils durch eine aus einem Stahlblech bestehende Nadelhülse 9, 10 und durch eine Vielzahl in jeweils einem Nadelkäfig 11 , 12 geführter Lagernadeln 13, 14 gebildet werden, welche jeweils zwischen der Drosselklappenwelle 6 und der Nadelhülse 9, 10 abrollen. Durch die Figuren 2 und 3 wird darüber hinaus deutlich, dass die Drosselklappenlager 7, 8 außerdem beidseitig der Nadelkäfige 11 , 12 mehrere Dichtungen 15, 16, 17 aufweisen, durch welche die Drosselklappenlager 7, 8 gegen das Durchströ- men von Abgaskondensaten abgedichtet sind.
Lediglich andeutungsweise geht aus den Figuren 2 und 3 desweiteren hervor, dass zur Vermeidung der aus Abgaskondensaten entstehende Rostbildung in den Drosselklappenlagern 7, 8 erfindungsgemäß sowohl die Nadelhülsen 9, 10 als auch die Nadelkäfige 11 , 12 beider Drosselklappenlager 7, 8 aus einem hochlegierten korrosionsbeständigen Stahlblech bestehen und ohne weitere Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung spanlos durch Tiefziehen bzw. durch Stanzziehen hergestellt sind. Als Werkstoff sowohl für die Nadelhülsen 9, 10 als auch für die Nadelkäfige 11 , 12 wurde dabei ein Stahlblech der Sorte X5CrNi1810 verwendet, so dass die Laufbahnen 18, 19 der Lagernadeln 13, 14 in den Nadelhülsen 9, 10 durch die beim Umformen entstehende Kaltverfestigung eine der Härte von mindestens 250 HV10 der Drosselklappenwelle 6 entsprechende Mindesthärte aufweisen, durch die die auf beiden Bauteilen abrollenden gehärteten Lagernadeln 13, 14 keinen Verschleiß verursachen.
Bezugszahlenliste
Regeleinrichtung
Drosselklappengehäuse
Gaskanal
Drosselklappe
Stelleinrichtung
Drosselklappenwelle
Drosselklappenlager
Drosselklappenlager
Nadelhülse von 7
Nadelhülse von 8
Nadel käf ig von 7
Nadel käf ig von 8
Lagernadeln von 7
Lagernadeln von 8
Dichtung
Dichtung
Dichtung
Laufbahn in 7
Laufbahn in 8

Claims

Patentansprüche
1. Regeleinrichtung, insbesondere zur Abgasrückführung an Brenn kraftma- schinen, welche Regeleinrichtung (1 ) im Wesentlichen aus einem Dros- selklappengehäuse (2) mit einem Gaskanal (3) sowie einer den Gas- durchlass durch den Gaskanal (3) regelnden Drosselklappe (4) besteht, die mit einer quer durch den Gaskanal (3) verlaufenden und durch eine Stelleinrichtung (5) verschwenkbaren Drosselklappenwelle (6) verbunden ist, wobei die Drosselklappenwelle (6) beidseitig des Gaskanals (3) in zwei im Drosselklappengehäuse (2) angeordneten Drosselklappenlagern
(7, 8) gelagert ist, die jeweils durch eine aus einem Stahlblech bestehende Nadelhülse (9, 10) und durch eine Vielzahl in jeweils einem Nadelkäfig (11 , 12) geführter sowie zwischen der Drosselklappenwelle (6) und der Nadelhülse (9, 10) abrollender Lagernadeln (13, 14) gebildet werden und durch mehrere Dichtungen (15, 16, 17) gegen das Durchströmen von Abgaskondensaten abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Nadelhülsen (9, 10) beider Drosselklappenlager (7, 8) aus einem hochlegierten korrosionsbeständigen Stahlblech bestehen und ohne weitere Wärme- und/oder Oberflächenbehandlung spanlos durch Tiefziehen hergestellt sind.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auch die Nadelkäfige (11 , 12) beider Drosselklappenlager (7, 8) aus einem hochlegierten korrosionsbeständigen Stahlblech bestehen und ohne weitere Wärme- und/ oder Oberflächenbehandlung spanlos durch Stanzziehen hergestellt sind.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappenwelle (6) aus einem Stahl mit einer Härte von mindestens 250 HV10 besteht und die Laufbahnen (18, 19) der Lagernadeln (13, 14) in den Nadelhülsen (9, 10) eine ebensolche Mindesthärte aufweisen. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff sowohl für die Nadelhülsen (9, 10) als auch für die Nadelkäfige (11 , 12) beider Drosselklappenlager (7, 8) bevorzugt ein Stahlblech der Sorte X5CrNi1810 verwendet wird.
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Cited By (3)

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