DE19721993A1 - Abgasrückführungsventil mit Druckkompensation - Google Patents

Description

Otto- und Dieselmotoren, vorrangig solche von Kraftfahrzeugen, werden mit Abgasrückfüh­ rungseinrichtungen (Abgas wird teilweise dem angesaugten Frischgas zugemischt) versehen, um die NOx-Emission zu senken, aber auch um Kraftstoffverbräuche zu verbessern und Ge­ räuschentstehung zu verringern.

Diese Abgasrückführungseinrichtungen enthalten Zumeßorgane, mit denen die Menge des rückgeführten Abgases betriebspunktabhängig eingestellt werden kann. Zu geringe Abgasrück­ führung würde die angestrebten Wirkungen verfehlen, zu große bei Ottomotoren zu Betriebs­ störungen oder einem unerwünschten Anstieg von HC- oder sogar CO-Emissionen führen und bei Dieselmotoren zu einem unerwünschten Anstieg der Partikelemissionen.

Solche Zumeßorgane sind in der Regel vollständig schließbare Ventile, die von einer Unter­ druckmembran oder einem Stellmotor eingestellt werden, die ihrerseits über Taktventil oder Relais vom Steuergerät des Motors betätigt werden.

Die dazu im Steuergerät verwendeten Informationen sind in der Regel die über Last und Dreh­ zahl des Motors und über die angesaugte Luftmenge.

Die Abgasrückführungsventile liegen als Zumeßorgane zwischen den schwankenden Drücken im Abgassystem und den schwankenden Drücken im Saugsystem des Motors, wobei die Ver­ änderungen dieser Drücke einerseits mit den Veränderungen des Betriebspunktes einhergehen, andererseits vom stoßweisen Austreten des Abgases und vom stoßweisen Ansaugen des Frischgases bestimmt werden.

Diese Druckschwankungen stellen schon für die Zumeßfunktion des Abgasrückführungsventils bei Saugmotoren ein Problem dar. Besonders gravierend wird es allerdings bei aufgeladenen Motoren.

Ein Ziel dieser Erfindung ist daher die Konstruktion eines Abgasrückführungsventils, bei dem die durchfließende Abgasmenge möglichst unabhängig ist von dem an ihm anliegenden Druck­ gefälle. Das zweite Ziel ist, die Betätigung des AGR-Ventils im wesentlichen durch einen elek­ trischen Hubmagneten zu erzielen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie schnell reagieren und den Ventilhub sehr genau einstellen kann.

Der Druck an der Einmündung des Abgases in das Frischgas sei p₃ und der an der Abzweigung des rückzuführenden Abgases aus dem Abgasstrom p₅ (Abb. 1). In allen für die AGR relevanten Betriebspunkten des Motors gilt p₅<p₃, so daß bei Öffnung des AGR-Ventils Abgas immer in der erwünschten Richtung strömt. Die durchgesetzte AGR-Menge hängt also üblicherweise vom Öffnungsquerschnitt des AGR-Ventils und vom Druckgefälle p₅-p₃ ab.

Um den Einfluß des Druckgefälles zu eliminieren, wird eine Stauplatte 4 (Abb. 1) eingeführt. Zwischen ihr und dem Ventil herrscht bei geschlossenem AGR-Ventil der Druck p₃, bei geöff­ netem Ventil der Druck p₃'. Dann gilt p₅<p₃'<p₃. Durch die geeignete Wahl des Durchmessers der Stauplatte 4 und der Gestaltung des Gasübertritts an der Stauplatte kann erreicht werden, daß sich bei Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Druckgefälles p₅-p₃ der freie Querschnitt am AGR-Ventil 3 gerade um einen solche Betrag verkleinert bzw. vergrößert, daß die durch­ gesetzte AGR-Menge sich nicht ändert.

Ganz offensichtlich ist, daß unter diesen Umständen die Kraft in der Stange 5 stark vom Druckgefälle an Ventil 3 bzw. Stauplatte 4 abhängig ist. Bei geschlossenem Ventil 3 wirkt oh­ ne Kolben 7 und Leitung 8 in der Stange die Kraft, die sich aus dem Druckgefälle p₅-p₃ und dem Querschnitt des Ventiltellers 3 F₃ ergibt, bei geöffnetem Ventil 3 wirkt

(p₅-p₃') × F₃ + (p₃'-p₃) × F₄,

wobei F₄ die wirksame Querschnittsfläche der Stauplatte 4 ist. Eine Kompensation von

(p₅-p₃') × F₃

erfolgt durch Einführung des Kolbens 7 (Abb. 1), wobei vorausgesetzt wird, daß er die gleiche wirksame Fläche wie das Ventil 3 hat.

Weitere Möglichkeiten der Kompensation von (p₅-p₃') × F₃ bestehen darin, Ventilflächen zu verwenden, die in gleicher oder nahezu gleicher Weise und gleichzeitig oder nahezu gleichzei­ tig in Richtung des Abgasstromes und in Gegenrichtung zu ihm öffnen. In einfachster Weise stellt die Drosselklappe (Abb. 2) ein solches Zumeßorgan dar. Ihr Nachteil ist, daß sie im ge­ schlossenen Zustand nicht hermetisch dicht ist.

Weitere Möglichkeiten bestehen in der Anordnung von linear oder auf Kreisbögen geführten in und gegen Abgasrichtung gleichzeitig bewegten Ventiltellern (Abb. 3) oder in der Wahl eines Kegel- oder Kugelventils (Abb. 4).

Die Ausführung mit dem Ausgleichskolben 7 (Abb. 1) hat die Nachteile, nicht reibungsfrei zu sein und daß auch bei geschlossenem Ventil 3 noch eine Verbindung zwischen den Räumen 2 und 1 besteht, so daß noch Abgas auf die Saugseite des Motors fließen kann. Sie können dazu führen, Kolben 7 durch eine Membran 7' (Abb. 5) zu ersetzen, die den gleichen oder einen anderen wirksamen Querschnitt als Kolben 7 hat. Wenn der wirksame Querschnitt von Mem­ bran 7' anders, z. B. größer ist, muß zwischen der Membran und der Stange 5 eine Überset­ zung geschaffen werden, z. B. eine Hebelübersetzung 9, so daß die größere Kraft F₇' × p₅ auf die alte Kolbenkraft F₇ × p₅ herunterübersetzt wird.

Eine entsprechende Lösung ist auch beim Kolben empfehlenswert, wenn seine wirksame Fläche von der des Ventils abweicht. Eine Hebelkinematik ist insbesondere bei Membranen zweck­ mäßig, weil die in der Regel nur kleinere Hübe machen können.

Um Bauraumvorteile und Kosteneinsparungen zu erzielen, bzw. mögliche Schadensursachen zu eliminieren, z. B. durch Wegfall der Leitung 8, ist eine Anordnung zweckmäßig, bei der die Membran 7' an die Stelle der Wand 3' (Abb. 1) tritt (so geschehen in Abb. 6 und 7). Der Dreh­ punkt 10 (Abb. 6) für die Hebelübersetzung 9 ist hier über den Stern 11 starr mit den ortsfe­ sten Rohrleitungen verbunden.

Abb. 6 zeigt gleichzeitig eine zweckmäßige Ausgestaltung der Stauplatte 4, so daß aus akusti­ schen und Abstimmungsgründen möglichst wenig Abgas um den Außenrand der Stauplatte herumtritt, sondern hauptsächlich durch die dafür vorgesehenen Strömungsöffnungen 12.

Eine sich an Abb. 6 anlehnende Ausführungsform zeigt Abb. 7. Hier werden die Hebel 9 über die Stangen 13 betätigt, die aus Gründen des Luftwiderstandes im Saugrohr zweckmäßiger in Strömungsrichtung vor und hinter Stange 5 liegen. Der Hebelmechanismus ist hier wegen der Verschmutzungs- und Korrosionsgefahr sowie aus Temperaturgründen aus dem Bereich ent­ fernt, der durch Abgas bespült wird.

Claims (14)

1. Erfindung der speziellen Ausgestaltung eines Steuerorgans zum Zumessen von Abgas in die Frischluftansauganlage von Motoren, vorrangig für Kraftfahrzeuge, um deren NO_x-Emissionen und/oder Kraftstoffverbräuche und/oder Geräuschemissionen zu reduzieren dadurch gekennzeichnet, daß eine Stauplatte 4 (Abb. 1) den Einfluß der Druck­ schwankungen auf der Abgas- und Frischluftseite auf den Abgasdurchsatz, der durch das Steuerorgan bemessen wird, weitgehend eliminiert.

2. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselklappe 3'' mit mittiger Drosselklappenwelle (Abb. 2) das Steuerorgan dar­ stellt.

3. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelventil 3* mit ausschließlich linearer oder ausschließlich radialer Führung der Ventilteller (beides nicht dargestellt) oder einer Kombination aus beidem (Abb. 3), wobei ein Ventilteller in Abgasrichtung, der andere in Gegenrichtung zum Abgas öffnet, das Steuerorgan darstellt.

4. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kegel- oder Kugelventil (Abb. 4) das Steuerorgan darstellt.

5. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben 7 (Abb. 1) die Kräfte kompensiert, die aus dem Druckgefälle p₅-p₃ bzw. p₅-p₃' auf den Ventilteller 3 ausgeübt werden.

6. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran 7' (Abb. 5), die Kräfte kompensiert, die aus dem Druckgefälle p₅-p₃ bzw. p₅-p₃' auf den Ventilteller 3 ausgeübt werden.

7. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromagnet mit einem Stabmagneten als Anker oder ein Elektromagnet im Zusammenwirken mit einer Feder 6 (Abb. 1) das Ventil 3 betätigt.

8. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Ventil durch einen pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Stellmotor betätigt wird.

9. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kolben 7 oder Membran 7' über eine kinematische Übersetzung, z. B. eine Hebelübersetzung 9 (Abb. 5) auf das Zumeßorgan 3 wirken, um die Unterschiedlichkeit der wirksamen Flächen zu kompensieren.

10. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 und 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran 7' an die Stelle der Wand 3' (Abb. 1) tritt (dargestellt in Abb. 6 und 7) und auch über eine geeignete Hebelübersetzung 9 auf das Ventil 3 einwirkt.

11. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeich­ net, daß allein durch die Federwirkung der Membran 7' unter Wegfall der Feder 6 das Ventil 3 geschlossen wird (Abb. 5) oder durch eine an geeigneter Stelle anzuordnende Feder 6' im Zusammenwirken mit der Membran 7' oder durch eine an geeigneter Stelle anzuordnende Feder 6' bei Entkoppelung der Federwirkung der Membran 7' (siehe Al­ ternative B, Abb. 5).

12. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 und 6 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kinematik aus Gründen des Temperatur-, Korrosions- und Verschmut­ zungsschutzes auf der dem Abgas abgewandten Seite des Saugrohres, gegebenenfalls so­ gar außerhalb von diesem, angeordnet ist (z. B. Abb. 7).

13. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stauplatte 4 so gestaltet ist, daß möglichst wenig Gas um ihren äußeren Umfang herumtreten kann (Abb. 8), sondern statt dessen durch genau definierte und un­ ter akustischen Gesichtspunkten gestaltete Öffnungen 12.

14. Erfindung zum Rückführen von Abgas nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Stauplatte umfassende Wand in zu ermittelnder Weise nicht oder nicht nur zylindrisch gestaltet ist, um Seiteneffekte zu kompensieren oder gezielt zu erzeugen (Abb. 9).