DE2851180A1

DE2851180A1 - Ventilanordnung fuer das abgasrezirkulierungssystem einer dieselmaschine

Info

Publication number: DE2851180A1
Application number: DE19782851180
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Sami; Takehito Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1978-09-13
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1980-03-27
Also published as: US4222356A; JPS6149498B2; JPS5540209A

Description

Ventilanordnung für das Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf die Abgasrezirkulxerung einer Dieselmaschine.

Bei einer Brennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip (Dieselmaschine) wird gewöhnlich mit Luftüberschuß in den Brennkammern gearbeitet. Wenn man mit Abgasrezirkulxerung arbeitet, ist es daher vorteilhaft, den Luftüberschuß in geregelter Weise durch rezirkuliertes Abgas zu ersetzen. Da der Luftüberschuß mit steigender Belastung der Maschine abnimmt, benötigt man eine Steuerventilanordnung, die in der Lage ist, die dem Ansaugsystem der Maschine zugeführte rezirkulierte Abgasmenge zu verringern, wenn die Ansaugluftmenge ansteigt. Um die Abgasrezirkulxerung wirksam zu steuern, sollte ein linearer Zusammenhang zwischen der Öffnung des Steuerventils, die der Maschinenbelastung entspricht, und dem Verhältnis zwischen rezirkulierter Abgasmenge und Gasgesamtmenge angestrebt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung anzugeben, die in der vorerwähnten Weise zu arbeiten in der Lage ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung schafft einen im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen dem Öffnungsgrad des Ventils und dem genannten Verhältnis zwischen rezirkuliertem Abgas und der Maschine zugeführten Gasgesamtmenge„ Sie ist auch in der Lage, das vorgenannte Verhältnis in Übereinstimmung mit der Maschinenbelastung zu beeinflussen.

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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden₀ Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasrezirkulierungssystems nach der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte, teilweise gebrochene perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung in Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Ventilanordnung nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4a eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Öffnungswinkel des Ventils und dem effektiven Strömungsquerschnitt;

Fig. kB eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Öffnungswinkel des Ventils und dem Anteil des rezirkulierten Abgases in der Gasgesamtmenge, und

Fig. 5 eine Ausführungsform für eine ein Stellsignal für den Ventilantrieb erzeugende Einrichtung.

In Fig., 1 ist nur als Umriß eines Dieselmaschine 10 dargestellt, zu welcher eine Ansaugverzweigungsleitung 12 führt. Zu dieser führt vom Luftfilter her eine Einlaßleitung 16. Die von ihr hergeführte Luft strömt durch eine Ventilanordnung 18 zur Ansaugverzweigungsleitung 12. Die Brennkammern der Dieselmaschine sind weiterhin auf der Auslaßseite mit einer Abgasverzweigungsleitung 19 verbunden.

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Die Ventilanordnung 18 besteht aus einem Gehäuse 20, das an seinem einen Ende mit der Leitung 16 und mit seinem anderen Ende mit der Ansaugverzweigungsleitung 12 verbunden ist. Im Gehäuse 20 wird zwischen der Einlaßleitung 16 und der Ansaugverzweigungsleitung 12 ein Strömungskanal 8 ausgebildet. Das Ventilgehäuse 20 ist über eine Abgasrezirkulierungsleitung 9 mit der Abgasleitung 19 verbunden. Die Ventilanordnung 18 steuert die Menge des über die Rezirkulierungsleitung 9 in den Strömungskanal 8 rückgeführten Abgases. Die Ventilanordnung 18 weist eine Ventilklappe 2k auf, die in dem Gehäuse 20 angeordnet ist ο Diese Ventilklappe 2k ist an einem Achsstift 16 befestigt, der im Gehäuse 20 stromaufwärts von der Stelle, wo die Rezirkulierungsleitung 9 mündet, drehbar gelagert ist. Die Ventilklappe 2k kann auf diese Weise in den Strömungskanal 8 hineingeschwenkt werden. Das Verhältnis der rezirkulierten Abgasmenge₉ die in den Strömungskanal 8 eingeführt wird, zur Gesamtgasmenge wird durch Verschwenken der Ventilklappe 2k beeinflußt.

Wie Fig. 2 zeigt, weist das Gehäuse 20 der Ventilanordnung eine tubusförmige Gestalt von etwa rechteckigem Querschnitt auf, in welcher die Ventilklappe 2k ebenfalls etwa rechteckige Gestalt hat. Der Achsstift 26 erstreckt sich quer zur Strömungsrichtung der im Strömungskanal 8 fließenden Ansaugluft. Er ist drehbar in den Seitenwänden des Gehäuses 20 durch entsprechende Lagerelemente derart gelagert, daß sein Umfang die obere Gehäusewand fast berührte In die Öffnung in der oberen Gehäusewand, an der die Rezirkulierungsleitung 9 mündet, ist ein Ring 30 eingesetzt, dessen untere Stirnseite einen Ventilsitz für die Ventilklappe 2k bildet. Mit dem Ring 30 ist ein Rohrstutzen 32 verbunden, an welchen eine Schlauchleitung 3k (Fig. 3) angeschlossen ist. Diese Schlauchleitung Jk ist mit der Abgasverzweigungsleitung 19 in geeigneter Weise verbunden. Der Ring 30, der Rohrstutzen 32 und die Schlauchleitung 3k bilden zusammen die Rezirkulierungsleitung 9 in. Fig. 1.

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Wie Fig. 2 zeigt, ist der Ring 30 in die Öffnung im Gehäuse eingepreßt und steht über die Innenwand des Gehäuses 20 um wenige Millimeter vor. Die Ventilklappe 24 ist auf der dem Ring 30 zugekehrten Seite mit einer Gummilage 25 versehen, die die Dichtungseigenschaften zwischen Klappe 24 und Ring 30 in geschlossener Stellung der Klappe 2k verbessert. ¥ie aus Fig. 2 auch ersichtlich ist, kann der Achsstift 26 so dicht an der einen Gehäusewand angeordnet sein, daß diese geringfügig ausgenommen sein muß (querlaufende Nut), um dem Achsstift 26 Platz zu geben. Hierdurch wird ein Vorbeiströmen von Luft zwischen Achsstift 26 und benachbarter Gehäusewand vermieden.

Das Abgasrezxrkulierungssystem nach Fig, 1 ist weiterhin mit einer Einrichtung zum Beeinflussen der rezirkulierten Abgasmenge in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung ausgerüstet. Diese Einrichtung besteht aus einem auf Unterdruck ansprechenden Antrieb 50 mit einer Membran 52, die über einen Stab Jk mit dem einen Ende eines Hebels 36 verbunden ist, der fest an dem Achsstift 26 angebracht ist. Auf der anderen Seite der Membran 5² ist eine Unterdruckkammer 38 gelegen, in der eine Druckfeder 40 angeordnet ist, die zwischen dem Boden der Kammer 38 und der Membran 52 eingespannt ist. Wenn kein Unterdruck in der Kammer 38 herrscht, dann drückt die Feder kO über den Stab 34 die Ventilklappe 2k in ihre vollkommen geschlossene Stellung, die in Fig. 3 mit η eingezeichnet ist. Diese Einrichtung weist weiterhin einen Unterdrucksignalgenerator auf, der ein Unterdrucksignal erzeugt, das der Kammer 38 zugeführt wird. Dieser Generator enthält eine Vakuumpumpe k2₉ die von der hier nicht dargestellten Kurbelwelle der Dieselmaschine angetrieben wird. Der Auslaß 42A dieser Pumpe k2 ist über eine Leitung 43a und ein Vakuumschaltventil kk und eine weitere Leitung 43b mit der Unterdruckkammer 38 der Stelleinrichtung 50 verbunden. Das

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Unterdrucksehaltventil 44 ist ein elektromagnetisch arbeitendes Ventil, das von einem elektrischen Schaltkreis 46 angesteuert wird, der über eine elektrische Leitung 4?a von einem in der Abgasverzweigungsleitung 19 angeordneten Sensor ein Signal erhält, das von der Sauerstoffkonzentration des Abgases abhängt. Da die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Dieselmaschine von der Belastung der Maschine abhängt, gibt der Sensor 48 ein elektrisches Signal ab, das der Maschinenbelastung entspricht. Dieses vom Schaltkreis 46 aufgenommene Signal wird von diesem in ein Schaltsignal umgesetzt, das dem Ventil 44 über eine elektrische Leitung 47b zugeführt wird. Das Schaltventil 44 legt die Unterdruckkammer 38 entweder an die Vakuumpumpe 42 oder an eine Atmosphärendruckquelle 4°-, so daß das Unterdruckniveau in der Kammer 38 entsprechend der Maschinenbelastung eingestellt wird. Auf diese Weise wird das Verhältnis des rückgeführten Abgases zur Gesamtgasmenge, die der Maschine zugeführt wird, in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung eingestellt, wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird.

Wenn der Achsstift 26 um seine Achse im Uhrzeigersinn gedreht wird, weil in der Unterdruckkammer 38 ein Unterdruck herrscht,, dann hebt sich die Ventilklappe 24 vom Ventilsitz des Ringes ab. Die Einlaßluft A, die in das Gehäuse 20 einströmt, fließt als Strömung A^f an der Ventilklappe 24 vorbei. Das über den Rohrstutzen 32 zufließende rezirkulierte Abgas B fließt als Strömung B¹ durch die von der Klappe 24 freigegebene Öffnung in den Strömungskanal 8. Die Strömungen A¹ und B¹ mischen sich in dem Strömungskanal 8 zu einer Strömung C. Je weiter der Achsstift im Uhrzeigersinn (Fig. 2) gedreht wird, um den Anteil des rezirkulierten Abgases zu erhöhen, desto weiter wird der freie Querschnitt für die Strömung A¹ eingeengt und umso geringer wird der Anteil der zugeführten Frischluft. Es stellt sich daher ein hohes Verhältnis der rezirkulierten Abgasmenge zur Gasgesamt-

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menge ein, obgleich der Innendurchmesser der von den Bauteilen 30j, 32 und Jk gebildeten Rüokführungsleitung 9 klein ist. Die geschilderte Ausführungsart der Ventilanordnung 18 nach der vorliegenden Erfindung ist sehr vorteilhaft für das Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine, da ein Rückführungsverhältnis der vorgenannten Art von bis zu 50 "Jo zuweilen erforderlich ist.

Da der Achsstift, wie erwähnt, sehr dicht an der einen Gehäusewand verläuft, bzw. sogar gegebenenfalls in einer Nut in der Gehäusewand verläuft, bleibt der freie Strömungskanalquerschnitt im Gehäuse 20 im wesentlichen voll erhalten, wenn die Ventilklappe Zk auf dem Ring 30 sitzt. Der Gesamtquerschnitt des Gehäuses 20 kann daher relativ klein gehalten werden.

Der Zusammenhang zwischen dem erwähnten Verhältnis des rezirkulierten Abgases zur Gesamtgasmenge einerseits und dem Öffnungswinkel der Ventilklappe 24 andererseits soll nachfolgend erläutert werden.

Es sei angenommen, die Ventilklappe ist so weit geöffnet, wie in Fig. 3 mit den gestrichelten Linien (m) angedeutet ist. Es ergibt sich dann ein wirksamer Strömungsquerschnitt S für die der Maschine zugeführte Frischluft, die umgekehrt proportional zum Öffnungswinkel θ der Ventilklappe 2k ist, wie die Kurve I in Fig. kA zeigt, in der θ der ¥inkel zwischen der geschlossenen Stellung η und der geöffneten Stellung m ist. Der Zusammenhang zwischen S und θ ergibt sich theoretisch aus den folgenden Überlegungen. Zunächst läßt sich S (effektiver Querschnitt der Frischluftströmung)wie folgt ausdrücken:

S = Wh (1 )

¥: Breite des Strömungskanals 8 im Gehäuse 20 rechte ckigen Quers chni11 s;

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h: Höhe zwischen der Kanalwand und der freien Kante der Ventilklappe 2k in der geöffneten Stellung

Die Höhe h läßt sich wie folgt ausdrücken:

h = H - lsin 0 (2)

H: Höhe des rechteckigen Strömungskanals 8 (s. Fig. 3) 1: Länge der Ventilklappe 2k,

Durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (i) ergibt sich:

S = ¥ (H - lsin θ) (3)

Die Gleichung (3) drückt aus, daß der effektive Querschnitt S etwa umgekehrt proportional zum Öffnungswinkel θ der Ventilklappe 2k ist.

Die effektive Querschnittsfläche S¹ der rezirkulierten Abgasströmung wird durch die Kurve II in Fig. kA dargestellt. Dieser ist etwa proportional dem Öffnungswinkel Q, wenn dieser kleiner ist als χ Grad. Wenn der Öffnungswinkel θ größer ist als χ Grad, dann ergibt sich eine effektive Querschnittsfläche bei einem vorbestimmten konstanten Wert y, der vom kleinsten Innendurchmesser der Rezirkulierungsleitung 9 bestimmt wird.

Das Rezirkulierungsverhältnis R ist das Verhältnis der rezirkulierten Abgasmenge, die durch die von der Ventilklappe 2k freigegebene Öffnung strömt, zur Gesamtströmungsmenge, die durch den Pfeil C repräsentiert wird. Der Anteil des rezirkulierten Abgases

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entspricht dem wirksamen Strömungsquerschnitt S' des rezirkulierten Abgases, während die Gesamtmenge der fließenden Gase der Summe aus der Querschnittsfläche S' und der Querschnittsfläche S der Frischluftströmung entspricht. Das Hezirkulierungsverhältnis R läßt sich daher durch das Verhältnis aus 1 zu I + II für jeden Öffnungswinkel θ der Ventilklappe 24 berechnen. ¥ie aus der Kurve III in Fig. 4 hervorgeht, folgt der Zusammenhang zwischen dem Öffnungswinkel der Ventilklappe 24 und dem Rezirkulierungsverhältnis R im wesentlichen einer geraden Linie IV, die das ideale Verhältnis zwischen R und θ angibt.

Der Grund dafür, daß die tatsächliche Kurve III nicht mit der idealen Kurve IV zusammenfällt, liegt in der Tatsache, daß eine Differenz in den spezifischen Gewichten zwischen Frischluft und rezirkuliertem Abgas besteht und daß auch Unterschiede in den Querschnitten zwischen Frischluftleitung und Abgasleitung vorhanden sind. Die Größe der Ventilklappe 24 und des Ringes 30 ist in geeigneter Weise gewählt, daß sich die Kurve III so geradlinig wie möglich ergibt.

Da sich, wie erwähnt, ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Rezirkulierungsverhältnis R und der Öffnung der Ventilklappe 2k ergibt, ist es verhältnismäßig einfach, mit Hilfe der auf Unterdruck ansprechenden Stellvorrichtung 50 das Rezirkulierungsverhältnis nach der Belastung der Maschine einzustellen. Mit Hilfe eines geeigneten Rezirkulierungsverhältnisses läßt sich der Gehalt an Schadstoffen in den Abgasen der Dieselmaschine, insbesondere von NO -Anteilen verringern.

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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird ein Vakuumgenerator mit einer Vakuumpumpe 42, ein elektromagnetisches Ventil 44 und der elektrische Schaltkreis 46 mit dem Sensor 48 verwendet. Anstelle des genannten Vakuumgenerators kann auch ein andersartiger Vakuumgenerator verwendet werden. In Fig. 5 wird der

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Unterdruckkammer 38 der Stellvorrichtung 50 ein Unterdruck— signal von einem Vakuumgenerator 60 übertragen, wie er in einer Dieselmaschine als sogenannter pneumatischer Regler verwendet wird, um das Öffnen der Kraftstoffeinspritzventile nach den Betriebsbedingungen der Maschine zu beeinflussen,, Dieser Generator 60 weist eine Drosselklappe 62 auf, die im Ansaugkanal 8 der Maschine stromaufwärts von dem Rezirkulierungssteuerventil nach der Erfindung angeordnet ist. In einem Venturi-Abschnitt 66 dieser Anordnung ist ein Rohrstück 64 angeordnet, das die Drosselklappe 62 durchdringt, wenn diese, wie in Pig. 5 gezeigt, sich in der Schließstellung befindet. Das Rohrstück 64 ist mit einer Abzweigung versehen, die mit der Unterdruckkammer 38 der Stellvorrichtung 50 über eine Rohrleitung 68 verbunden ist. Die Öffnung der Drosselklappe 62 wird von einem .hier nicht gezeigten Mechanismus gesteuert, und zwar in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung, beispielsweise durch das Gaspedalο Am Rohrstück 64 stellt sich daher ein Unterdruck ein, dessen Größe der Maschinenbelastung entspricht. Dieser Unterdruck wird als Signal zur Kammer 38 über die Rohrleitung 68 übertragen, wodurch der Stab 34 gegen die Kraft der Feder nach unten bewegt wird und die Ventilklappe 24 öffnet. Auf diese Weise ergibt sich eine Steuerung des Rezirkulierungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Ventilanordnung für das Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine, gekennzeichnet durch ein tubusförmiges Gehäuse (20), das einen Strömungskanal (8) für die Ansaugluft von etwa rechteckigem Querschnitt umschließt, in dessen einer ¥and eine Öffnung zur Verbindung mit dem Abgasrezirkulierungssystem ausgebildet ist, eine Ventilklappe (2k) von etwa rechteckiger Gestalt im Gehäuse, und einen drehbaren Achsstift (26), der sich quer zur Strömungsrichtung im Strömungskanal (8) dicht an der durchbrochenen Wand stromaufwärts von der Öffnung erstreckt und an dem das eine Ende der Ventilklappe (2^) so befestigt ist, daß diese vor die Öffnung schwenkbar ist.

2ο Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Öffnung ein Ring (30) eingesetzt ist, der leicht über die innere Yandflache hinausragt und dort einen Sitz für die Ventilklappe (2*0 bildet.

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MÜNCHEN: TELEFON (089) 225588 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24 244

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312088 KABEL: PROPINDUS - TELEX O184O57

Ventilanordnung nach. Anspruch 1 in einem Abgasrezirkulierungssystem einer Dieselmaschine, dadurch, gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (8) der Ventilanordnung (18) Teil des Ansaugkanals der Maschine ist, daß die Öffnung des Strömungskanals (8) an das Ende einer von der Abgasleitung (1S>) herführenden Rezirkulierungsleitung (9) angeschlossen ist, und daß eine Stelleinrichtung (50) vorgesehen ist, die die Ventilklappe {2k) in Abhängigkeit von der der Maschine zufließenden Kraftstoffmenge verstellt.

Ventilanordnung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (50) ein mit Unterdruck arbeitender Antrieb ist, der mechanisch mit dem Achsstift (26) der Ventilklappe (24) gekuppelt ist, und daß eine Einrichtung (k6) vorgesehen ist, die ein von der Maschinenbelastung abhängiges Unterdrucksignal der Stelleinrichtung (50) zuführt.

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