WO1998054460A1

WO1998054460A1 - Abgasrückführungseinrichtung

Info

Publication number: WO1998054460A1
Application number: PCT/EP1998/003092
Authority: WO
Inventors: Herrmann Oetting
Original assignee: A Kayser Automotive Systems GmbH
Current assignee: A Kayser Automotive Systems GmbH
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 1999-11-26
Also published as: ES2178837T3; DE19721993A1; DE59805195D1; EP0985092A1; EP0985092B1; ATE222324T1

Abstract

Abgasrückführungseinrichtung zum Rückführen von Abgas in eine Gaszuführung von Motoren, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, mit einer Abgaszuführung (5), einer Frischgaszuführung (2) und einem in die Gaszuführung mündenden Ausgangskanal (4), wobei zumindest die Abgaszuführung (5) und die Frischgaszuführung (2) über ein Steuerorgan (69) zum Zumessen von Abgas miteinander in Verbindung stehen und auf der der Frischgaszuführung (2) zugewandten Seite des Steuerorgans (69) eine Druckplatte (44) angeordnet ist, die den Einfluß von auf der Abgas- und Frischgasseite auftretenden und sich auf den Abgasdurchsatz auswirkenden Druckschwankungen minimiert.

Description

"Abgasrückführungseinrichtung"

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Abgasrückführungseinrichtung mit Druckkompensation - wie sie in Anspruch 1 beschrieben ist.

Otto- und Dieselmotoren, insbesondere solche von Kraftfahrzeugen, werden üblicherweise mit Abgasrückführungseinrichtungen, insbesondere Abgasrückführungsventilen (AGR-Ventilen) versehen. Durch sie wird dem angesaugten Frischgas teilweise Abgas zugemischt, um die NOx-Emission zu senken sowie um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und Geräuschentstehung zu verringern.

Solche Abgasrückführungseinrichtungen umfassen Zumeßorgane bzw. Steuerorgane, mit denen die Menge des rückgeführten Abgases betriebspunktabhängig eingestellt werden kann. Zu geringe Abgasrückführung würde die angestrebten Wirkungen verfehlen, zu große bei Ottomotoren zu Betriebsstörungen oder einem unerwünschten Anstieg von HC- oder sogar CO-Emissionen führen und bei

Dieselmotoren zu einem unerwünschten Anstieg der Partikelemissionen.

Solche Steuerorgane sind in der Regel vollständig schließbare Ventile, die von einer Unterdruckmembran oder einem Stellmotor oder einem gegen eine Feder arbeitenden Proportionalmagneten eingestellt werden, die ihrerseits über ein

Taktventil oder ein Relais vom Steuergerät des Motors betätigt werden. Die dazu im Steuergerät verwendeten Informationen sind in der Regel die über Last und Drehzahl des Motors und über die angesaugte Luftmenge. Zur Verbesserung der Arbeitsweise wird auch die Rückmeldung des Öffnungsweges über ein Wegmeß- system angewandt.

Die Abgasrückführungseinrichtungen liegen zwischen den schwankenden Drük- ken im Abgassystem und den schwankenden Drücken im Saugsystem des Motors, wobei die Veränderungen 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 bereits für die Zumeßfunktion der Abgasrückführungseinrichtung bei Saugmotoren ein Problem dar und sind bei aufgeladenen Motoren besonders gravierend.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Abgasrückführeinrichtung bereitzustellen, bei der die durchgesetzte bzw. zugemessene Abgasmenge möglichst unabhängig von obigen auf die Abgasrückführungseinrichtung einwirkenden Druckschwankungen ist.

Die Aufgabe wird durch eine Abgasrückführungseinrichtung mit den im Anspruch

1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Eine erfindungsgemäße Abgasrückführungseinrichtung zum Rückführen von Abgas in eine Gaszuführung von Motoren, insbesondere von Kraftfahrzeug- motoren, umfaßt eine Abgaszuführung, eine Frischgaszuführung und einen in die

Gaszuführung mündenden Ausgangskanal, wobei zumindest die Abgaszuführung und die Frischgaszuführung über ein Zumeß- bzw. Steuerorgan miteinander in Verbindung stehen und auf der der Frischgaszuführung zugewandten Seite des Steuerorgans eine Druckplatte angeordnet ist, die den Einfluß von auf der Abgas- und Frischgasseite auftretenden und sich auf den Abgasdurchsatz auswirkenden

Druckschwankungen minimiert und bevorzugt eliminiert.

Befindet sich das Steuerorgan, das insbesondere durch ein Ventil- bzw. Hauptventil gebildet sein kann, in einer partiell oder vollständig geöffneten Stellung, kann Abgas von der Abgasseite der Abgasrückführungseinrichtung in Richtung der Frischgasseite strömen. Die Druckplatte ist derart im Gas- bzw. Abgasstrom in der Abgasrückführungseinrichtung angeordnet, daß sie einen Strömungswiderstand für den sie umströmenden oder durchströmenden Abgasstrom bildet und so beim Durchströmen des Abgases von der Abgasseite in Richtung zur Frischgasseite zu einem partiellen Aufstauen bzw. einer Druckerhöhung des Abgasstroms führt. In diesem Fall ist daher der Gasdruck in einem Raum zwischen dem Steuerorgan und der Druckplatte größer als in einem Raum, der frischgasseitig von der Druckplatte angeordnet ist. Der Unterschied zwischen diesen frischgas- und abgasseitig auf die Druckplatte wirkenden Gasdrücken resultiert in einer Kraft, die auf die Druckplatte wirkt. Diese an der Druckplatte angreifende Kraft wird erfindungsgemäß zu einer Beeinflussung bzw. Steuerung der Stellung bzw. des freien Öffnunsquerschnitts des Steuerorgans verwendet werden, so daß sich beispielsweise der freie Öffnungsquerschnitt des Steuerorgans verkleinert, wenn sich eine in Richtung der Frischgasseite bzw. in Schließrichtung des Steuerorgans gerichtete Kraft auf die Druckplatte erhöht. Die Druckplatte kann somit derart ausgebildet sein, daß eine Erhöhung des Druckgefälles zwischen Abgas- und der Frischgasseite der Abgasrückführungseinrichtung zu einer vorbestimm- ten Verkleinerung des freien Öffnungsquerschnitts des Steuerorgangs und eine

Verkleinerung dieses Druckgefälles zu einer vorbestimmten Vergrößerung des freien Öffnungsquerschnitts des Steuerorgans führt.

Auf diese Weise kann der Einfluß von abgas- und frischgasseitigen Schwankun- gen bzw. Variationen des Gasdrucks in der Abgasrückführungseinrichtung auf den Durchsatz bzw. die Zusmessung des rückgeführten Abgases bzw. auf den Abgasanteil des Gasstroms im Ausgangskanal minimiert und bevorzugt vollständig eliminiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Steuerorgan mit einer mechanischen, pneumatischen, hydraulischen, magnetischen oder elektrischen Stelleinrichtung bzw. Stellmotor verbunden. Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Magneten bzw. Propotionalmagneten erwiesen, da mit einem solchen die Öffnung bzw. Stellung des Steuerorgans sehr genau eingestellt wird und es vor allem zusätzlich schnell reagiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Abgasrückführungseinrichtung mit einer Kompensationseinrichtung versehen, die zur Kompensation bzw. zum Ausgleichen von Kräften dient, die aus einer Differenz zwischen abgasseitigem und frischgasseitigem Gasdruck auf das Steuerorgan wirken. Das Druckgefälle des Gasdrucks über das Steuerorgan kann aufgrund dieser Kompensationseinrichtung nicht zu einer Kraftkomponente führen, die in Richtung eines unerwünschtes Öffnens oder Schließens des Steuerorgans wirkt, wodurch die angestrebte Steuerung bzw. Regelung der durchgesetzten Abgasmenge erheblich verbessert wird . Als Kompensationseinrichtung können insbesondere ein zweiter Ventilteller oder Kolben, Membranen und/oder Bälge dienen.

Vorteilhaft ist es hierbei, die Kompensationseinrichtung auf einer Seite mit dem abgasseitigen Gasdruck, d.h. dem in der Abgaszuführung herrschenden Gasdruck zu beaufschlagen und auf der anderen Seite mit dem frischgasseitigen Gasdruck, d.h. dem auf der Frischgasseite des Steuerorgans und somit zwischen Hauptventil und Druckplatte herrschenden Gasdruck, zu beaufschlagen. Die sich ergebende Druckdifferenz über die Kompensationseinrichtung resultiert in einer

Kraftkomponente, die der zu kompensierenden Kraftkomponente entgegengerichtet ist, den gleichen Betrag aufweist und somit einen Ausgleich der beiden Kraftkomponenten bewirkt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kompensationseinrichtung mit einer kinematischen Übersetzung, insbesondere einer Hebelübersetzung, bereitgestellt. Diese Übersetzung übersetzt die von der Kompensationseinrichtung erzeugte Kraftkomponente auf eine Größe, die für die Kompensation der zu kompensierenden Kraft auf das Steuerorgan geeignet ist. Dies ist insbesonde- re vorteilhaft, wenn die für die Gasdrücke wirksamen Flächen bzw. Flächeninhalte von Kompensationseinrichtung und Steuerorgan sich unterscheiden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kompensationseinrichtung, das Steuerorgan und die Druckplatte kraftwirksam miteinander verbun- den und über die Stelleinrichtung steuerbar. Auf diese Weise können die von der

Kompensationseinrichtung, der Druckplatte und von der Stelleinrichtung erzeugten Kräfte gemeinsam auf das Steuerorgan einwirken und sich geeignet addieren bzw. kompensieren, um die gewünschte Netto-Kraft bzw. Kraftkompo- nente auf das Steuerorgan auszuüben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine ortsfeste Stauplatte vorzusehen, um ein direktes Aufströmen eines aus dem Steuerorgan strömenden Abgasstroms auf die Druckplatte zu verhindern. Die Einwirkung eines unerwünschten Staudruckanteils auf die Druckplatte kann so eliminiert werden. Die Stauplatte wird hierzu typischerweise derart angeordnet, daß der aus dem Steuerorgan strömende Abgasstrom nicht direkt auf die Druckplatte aufströmt, d.h. daß es zu keinem unerwünschtem Impulsübertrag des aufströmenden Abgasstroms auf die Druckplatte kommt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Steuerorgan durch eine Federwirkung einer Membran oder eines Balgs in Schließrichtung vorgespannt, wobei insbesondere zusätzlich eine Feder zur Unterstützung der Vorspannung vorgesehen sein kann, um eine zusätzliche Kraftkomponente in

Schließrichtung des Steuerorgans zu bewirken.

Die Druckplatte kann vorteilhafterweise derart angeordnet und ausgebildet sein, daß das Gas bzw. Abgas im wesentlichen durch genau definierte Öffnungen in der Druckplatte strömt und möglichst wenig Gas um ihren äußeren Umfang herumtreten kann, d.h. wenig Gas zwischen der Druckplatte und einer an diese angrenzende Wand strömen kann, sondern statt dessen der Gasstrom durch dafür ausgelegte Öffnungen in der Druckplatte selber geleitet wird. Diese Öffnungen werden hierbei insbesondere nach akustischen, strömungstechnischen und mechanischen Gesichtspunkten abgestimmt.

Weiterhin ist eine Ausführung der Druckplatte möglich, bei welcher diese mit zusätzlichen Einrichtungen ausgestattet wird, so daß bei einem kleinen Gasdruckgefälle bzw. kleinen Druckunterschieden zwischen abgasseitigen und frischgasseitigen Gasdrücken auf die Druckplatte das Abgas um den äußeren

Umfang der Druckplatte herumströmen kann, bei wachsenden bzw. größeren Druckunterschieden jedoch zusätzliche Gasdurchtrittsöffnungen freigegeben werden, durch die der Gasstrom zusätzlich strömen kann. Hierdurch wird ein zusätzlicher und vorteilhafter Freiheitsgrad für die Abstimmung nach akustischen, strömungstechnischen und mechanischen Gesichtspunkten geschaffen.

Bevorzugt ist eine Abgasrückführungseinrichtung bei der ein Gasdruck in einem Innenventilkompensationsraum von dem Zusammenwirken eines inneren Ventils mit einem Öffnungsspalt zwischen dem Kolben und einer Führungshülse des Kolbens gesteuert wird, wobei das innere Ventil von der Stelleinrichtung und/oder einer zusätzlichen Innenventilstelleinrichtung betätigt wird. Die Wahl des Duchmessers des Kolbens relativ zu dem des Steuerorgans, beispielsweise des Hauptventils, beeinflußt auch die Abstimmung des inneren Ventils zu dem

Öffnungsspalt zwischen dem Kolben und der Führungshülse.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen

Abgasrückführungseinrichtung mit einer Druckkompensationsleitung;

Figur 1 A eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer abgasführenden Druckkompensa- tionsleitung und einem Doppelventil;

Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Drosselklappe als Steuerorgan;

Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei entgegengerichteten Ventilen; Figur 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Kugel-, Kegel- oder Zylinderventil;

Figur 5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Membran und einer Hebelüberset- zung;

Figur 6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Membran und einer Hebelübersetzung; Figur 7 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Membran und einer Hebelübersetzung;

Figur 8 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer Druckplatte;

Figur 9 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Druckplatte;

Figur 1 0 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Balg; Figur 1 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem zwecks Druckkompensation über einen hohlen Ventilkörper beaufschlagten Kolben;

Figur 1 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem zusätzlichen inneren Ventil; Figur 1 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem zusätzlichen inneren Ventil;

Figur 1 4 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer zusätzlichen ortsfesten Stauplatte; und

Figur 1 5 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ähnlich zu Figur 12 mit einem zusätzlichem Topf.

Im folgenden werden aus Gründen der einfacherem Darstellung alle gleichen oder wesensgleichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasrückführungseinrichtung. Das Abgas wird mittels eines Abgaskanals bzw. Abgaszuführung 5, dessen eine Seite in den Hauptabgasstrom des Motors mündet, der Abgasrückführungseinrichtung zugeführt. Die Ab- gaszuführung 5 ist über ein Ventil bzw. Hauptventil 60, das aus einem Ventilteller 60A und einem Ventilsitz bzw. Wand 60B besteht, mit einer Kammer 3 verbunden. Frischgasseitig ist die Kammer 3 partiell durch eine Druckplatte 40 verschlossen, die einen Strömungswiderstand für Gas bzw. Abgas darstellt. Gasdurchtrittsöffnungen (nicht dargestellt) von der Kammer 3 in eine Einmündung 1 können zwischen dem äußeren Umfang der Druckplatte 40 und einer Wand 8 oder in der Druckplatte 40 selbst gebildet sein. Die Einmündung 1 des rückgeführten Abgasstroms ist mit einer Frischgaszuführung 2 und einem Ausgangskanal 4, der die mit dem Abgas versetzten Frischgase weiterführt, verbunden.

In einer oberen Wand 9 der Abgaszuführung 5 ist ein Kompensationsraum bzw. Kolbenraum 1 0 zur Aufnahme eines Kompensationskolbens bzw. Ausgleichs- kolbens bzw. Kolbens 80 vorgesehen. Der Kolben 80 liegt an seinem Umfang an einer Wand bzw. Seitenwand 1 1 an und ist über eine Feder bzw. Spiralfeder 6 mit einem oberen Teil der Wand 1 1 verbunden. Der Kolbenraum 1 0 ist über eine Leitung bzw. Ausgleichsleitung 1 2 derart mit der Kammer 3 verbunden, daß sich die Gasdrücke in Kolbenraum 10 und der Kammer 3 schnell ausgleichen können.

Kolben 80, Ventilteller 60A und Druckplatte 40 sind miteinander in dieser Reihenfolge über eine Stange 1 3 verbunden. An einer dem Kolben 80 gegenüberliegenden Seite der Stange 1 3 ist eine Stelleinrichtung in Form eines elektrischen Magneten bzw. Proportionalmagneten 1 4 angeordnet, über den das Hauptventil 60 gesteuert bzw. geregelt werden kann.

Der Gasdruck in der Einmündung 1 des rückgeführten Abgasstroms in das Frischgas ist unter Betriebsbedingungen p₃, in der Kammer 3 zwischen Ventilteller 60A und Druckplatte 40 herrscht der Gasdruck p₃' und in der Abgaszufüh- rung 5 liegt der Gasdruck p₅ vor. In allen für die Abgasrückführung relevanten

Betriebspunkten eines Saugmotors gilt p₅ > p₃. Ein positives, d.h. umgekehrtes Spülgefälle p₅ < p₃ kann unter Umständen bei mechanischer oder durch einen Turbolader bewirkter Aufladung des Motors auftreten.

Durch den mit der Druckplatte 40 verbundenen Strömungswiderstand kommt es bei geöffnetem Hauptventil 60 zu einer Erhöhung des Gasdruckes p₃' in der Kammer 3 gegenüber dem Gasdruck p₃ in der Einmündung 1 . Es gilt somit p₅ > P₃' > P₃* Bei einer Öffnung des Abgasrückführungs- bzw. Hauptventils 60 wird somit das Abgas in der Regel in der gewünschten Richtung, d.h. von der Abgaszuführung 5 in Richtung der Einmündung 1 , strömen. Die durchgesetzte Abgasmenge hängt hierbei im wesentlichen vom Öffnungsquerschnitt des Hauptventils und vom Gasdruckgefälle über das Hauptventil 60, d.h. von der Druckdifferenz p₅ - p₃' ab.

Zur Minimierung des Einflusses dieses Druckgefälles bzw. dieser Druckdifferenz p₅ - p₃ bzw. p₅ - p₃' auf die durchgesetzte Abgasmenge dient die Druckplatte 40. Durch eine geeignete Wahl von Form und Durchmesser der Druckplatte 40 und einer Gestaltung des Gasübertritts von der Kammer 3 zur Einmündung 1 zwischen einer Kammerwand bzw. Wand 8 und äußerem Umfang der Druckplatte 40 und/oder durch die Druckplatte 40 hindurch, kann erreicht werden, daß sich bei Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Druckgefälles p₅ - p₃ der freie Öffnungsquerschnitts des Hauptventils 60, d.h. der Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ventilteller 60A und dem Ventilsitz 60B, gerade um einen solchen Betrag verkleinert bzw. vergrößert, so daß die durchgesetzte, rückgeführte Abgasmenge sich nicht mit den obigen Druckschwankungen bzw. Änderungen der Druckdifferenz ändert und eine bestimmbare bzw. vorbestimmte Größe aufweist bzw. so daß der Abgasanteil im Ausgangskanal 4 stromabwärts der Einmündung 1 konstant bleibt und eine bestimmbare bzw. vorbestimmte Größe aufweist. Der

Durchsatz der rückgeführten Abgasmenge ist somit im wesentlichen unabhängig von den Schwankungen bzw. Variationen von frisch- und abgasseitigen Gasdruck (p₅ und p₃) an der Abgasrückführungseinrichtung, d.h. im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Gasdruckdifferenz bzw. vom Druckgefälle p₅ - p₃.

Um die durchgesetzte, rückgeführte Abgasmenge weitestgehend vom Druckgefälle p₅ - p₃ durch eine solche Gestaltung der Druckplatte 40 und des Gasübertritts an dieser unabhängig zu machen, ist es vorteilhaft, den Kraftbeitrag der in der Stange 1 3 wirkenden Kraft aufgrund des Druckgefälles p₅ - p₃' zu kompensieren, damit dieser Kraftbeitrag nicht zu einem unerwünschten Öffnen oder Schließen des Hauptventils 60 führt, was die angestrebte Steuerung bzw. Regelung des Abgasdurchsatzes mit der Durckplatte 40 erschweren würde. Diese in der Stange 1 3 wirkende Kraft ist hierbei stark vom Druckgefälle p₅ - p₃' über das Hauptventil 60 abhängig. Bei geschlossenem Hauptventil 60 wirkt ohne den Kolben 80 und ohne die Leitung 1 2 in der Stange 1 3 die Kraft, die sich aus dem Druckgefälle p₅ - p₃ und einer Querschnittsfläche bzw. eines Querschnitts F₃ des Ventiltellers 60A ergibt. In erster Näherung ist bei geöffnetem Ventil die in der Stange 1 3 wirkende Kraft durch

( p₅ - p₃') x F₃ + (p₃' - p₃) x F₄ + C₆ x S₆

gegeben, wobei F₄ eine wirksame Querschnittsfläche der Druckplatte 40 ist und

C₆ die Federkonstante der Feder 6 und S₆ ihre Auslenkung aus der Gleichge^¬ wichtslage bezeichnen. Hierbei übt der Magnet bzw. Proportionalmagnet 1 4 zunächst keine Kraft auf die Stange 1 3 aus.

Eine Kompensation der Kraft

(p₅ - p₃') x F₃

erfolgt durch den Kolben 80, der die gleiche wirksame Fläche bzw. Angriffs- fläche F₃ für den Gasdruck wie der Ventilteller 60A aufweist. An dem Kolben 80 greift somit eine der Kraft auf den Ventilteller 60A entgegengerichtete Kraft gleichen Betrags an.

Bevorzugt wird die Betätigung des Hauptventils 60 der Abgasrückführungsein- richtung im wesentlichen durch den elektrischen Proportionalmagneten 1 4 über die Stange 1 3 erzielt, wobei bei dem Proportionalmagneten 1 4 die Kraft nur vom Spulenstrom und nicht von der Lage des Ankers abhängig ist. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sie schnell reagieren und einen Ventilhub bzw. Öffnung des Ventils 60 sehr genau einstellen kann. Es ist aber ebenfalls möglich, andere Betätigungen des Hauptventils 60, wie beispielsweise mechanische, pneumatische, hydraulische und elektromotorische mit der beschriebenen Druckkompensation zu kombinieren. Fig. 1 A zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine weitere Möglichkeit der Kompensation der in der Stange 1 3 wirkenden Kraft (p₅ - p₃') x F₃ darin besteht, einen zweiten Ventilteller 60A' von bevorzugt geringfügig größerem Durchmesser als Ventilteller 60A vorzusehen, um die auf auf den Ventilteller 60A wirkende Kraft genau zu kompresieren. Dieser Ventilteller 60A macht eine abgasführende, also ausreichend dimensionierte Kompensationsleitung 1 2A in den Raum 3 erforderlich.

Weitere Möglichkeiten der Kompensation der in der Stange 1 3 wirkenden Kraft (p₅ - p₃') x F₃ bestehen darin, Ventile bzw. Hauptventile zu verwenden, die in gleicher oder nahezu gleicher Weise und gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig in Richtung des Abgasstromes und in Gegenrichtung zu ihm öffnen.

Ein auf einer solchen Druckkompensation beruhende weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. In einfachster Weise kann hierbei als

Zumeß- bzw. Steuerorgan 61 eine Drosselklappe 61 A Verwendung finden, die über einen Hebel 1 5 mit der Stange 1 3 verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, daß die angestrebte Druckkompensation bei einfachster mechanischer Ausführung möglich ist. Nachteilig ist jedoch, daß das mit der Drosselklappe 61 A gebildete Ventil bzw. Hauptventil 61 im geschlossenen Zustand nicht hermetisch gasdicht ist.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird eine weitere Möglichkeit der Druckkompensation eingesetzt, bei der ein Ventilteller 62A eines Hauptventiles 62 auf einem Kreisbogen in der Abgasströmungsrichtung und ein weiterer Ventilteller 62 linear, aber entgegengesetzt zur Abgas^¬ strömungsrichtung geführt wird. Einer der Ventilteller 62A ist hierbei an einen L- förmigen Hebel 1 9, der schwenkbar mit der Stange 1 3 verbunden ist, festgelegt, wobei der Hebel 1 9 in seiner Mitte an einem ortsfesten Wandvorsprung 1 7 schwenkbar gelagert ist. Der andere Ventilteller 62A ist am oberen Ende der

Stange 1 3 festgelegt. Die Anordnung des Hebels 1 9 sowie die für den Gasdruck wirksamen Flächen der Ventilteller 62A sind hierbei so gewählt, daß sich die auf die Stange 1 3 wirkenden Kräfte aufgrund des Druckgefälles zwischen der Abgaszuführung 5 und der Kammer 3 kompensieren. Statt Kreisbahnen und eine lineare Ventiltellerfüllung zu verwenden, sind auch zwei lineare Ventiltellerführungen oder zwei Kreisbahnführungen möglich.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich zu Figur 2, bei der als Hauptventil ein Kugel-, Kegel- oder Zylinderventil 63 vorgesehen ist, um die gewünschte Druckkompensation zu ermöglichen.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die die Nachteile, der anhand von Figur 1 beschriebenen Ausführungsform mit dem Kolben 80, zu überwinden sucht. Bei der anhand von Figur 1 beschriebenen Ausführungsform ist kein vollständig mechanisch reibungsfreier Betrieb des Kolbens 80 möglich und bei geschlossenem Hauptventil 60 kann noch eine Verbindung zwischen der Abgaszuführung 5 und der Einmündung 1 bestehen, so daß noch Abgas auf die Saugseite des Motors fließen kann. Dies kann verhindert werden, indem der

Kolben 80 durch eine Membran 81 ersetzt wird, die eine gleiche oder eine andere wirksame Fläche bzw. Querschnitt wie Kolben 80 hat. Wenn die wirksame Fläche F₈₁ von Membran 81 anders, zum Beispiel größer ist, muß zwischen der Membran 81 und der Stange 1 3 eine Übersetzung bzw. Untersetzung ge- schaffen werden. In der Ausführungsform der Figur 5 ist eine Hebelübersetzung mit einem an einem Vorsprung der Wand 8 einseitig schwenkbar gelagerten Hebelarm 21 , der mit der Stange 1 3 beidseitig (Alternative A) oder einseitig (Alternative B) in Eingriff gebracht werden kann. Die Kompensationskraft, die aufgrund des Druckgefälles über die Membran 81 entsteht, wird mit einem Kompensationsarm, der mit der Membran 81 einerseits und schwenkbar mit dem

Hebelarm 21 andererseits verbunden ist, gemäß der vorbestimmten Übersetzung auf die Stange 1 3 übertragen. Bei dem einseitigen Eingriff gemäß Alternative B kann der Hebelarm 21 die Stange 1 3 nur in Öffnungsrichtung des Hauptventils 60 mitnehmen, d.h. es liegt eine einseitige Entkopplung der Membran 81 zum Hauptventil 60 vor. Die größere Kraft F₈₁ x p₅ wird so auf die alte Kompensationskraft des Kolbens F₈₀ x p₅ herunterübersetzt.

Eine entsprechende Ausführungsform mit einer Hebelübersetzung ist auch bei Ausführungsformen mit Kolben empfehlenswert, wenn deren wirksame Flächen von denen des Hauptventils abweichen. Eine Hebelkinematik ist insbesondere bei Membranen zweckmäßig, die in der Regel nur kleinere Hübe machen können.

Figuren 6 und 7 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Hierbei wird, um Bauraumvorteile und Kosteneinsparungen zu erzielen bzw. um mögliche Schadensursachen zu eliminieren, eine Ausführungsform vorgeschlagen, die ohne die Leitung 1 2 der anhand der Figur 1 beschriebenen Ausführungsform auskommt. An die Stelle der den Ventilsitz tragenden Wand 60B, ist hierbei eine Membran 82 vorgesehen, die die Abgaszuführung 5 von der Kammer 3 trennt.

Ein Ventilsitz eines Ventiltellers 64A eines Hauptventils 64 ist hierbei in der Membran 82 ausgebildet. Das rückzuführende Abgas strömt durch einen hohlen Druckplattenkörper bzw. um die Druckplatte 41 herum in Richtung der Ein^¬ mündung 1 .

Bei der Ausführungsform von Figur 6 ist ein Drehpunkt 23 für eine Hebelübersetzung 24 über einen Stern 25 starr mit den ortsfesten Rohrleitungen verbunden.

Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform werden die drehbar gelagerten Hebel 27 über Stangen 28 betätigt, die aus Gründen des Gaswiderstandes in der

Einmündung 1 zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung von der Frischgaszuführung 2 zu dem Ausgangskanal 4 vor und hinter der Stange 1 3 liegen. Der Hebelmechanismus 27 ist hier wegen der Verschmutzungs- und Korrosions^¬ gefahr sowie aus Temperaturgründen aus dem Bereich entfernt, der durch Abgas bespült wird. Die übersetzte Kompensationskraft wird wiederum über die Stange

1 3 auf den Ventilteller des Hauptventils 64 übertragen und führt zu einem Ausgleich der zu kompensierenden Kraftkomponente.

Figur 8 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform der hohlen Druckplatte bzw. des Druckkörpers 41 , der für die anhand von Figur 6 und 7 beschriebenen

Ausführungsformen vorgesehen ist. Aus akustischen, mechanischen und strömungstechnischen Abstimmungsgründen kann es vorteilhaft sein, daß möglichst wenig Abgas um den Außenrand bzw. äußeren Umfang dieses Druckkörpers 41 herumtritt, sondern hauptsächlich durch die dafür vorgesehenen Strömungsöffnungen bzw. Gasdurchtrittsöffnungen 29, die düsenartig ausgebildet sein können.

Figur 9 zeigt, daß die die Druckplatte 42 umfassende Wand 8' aus Abstimmungsgründen auch anders als rein zylindrisch geformt sein kann.

Figur 1 0 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist in der Abgaszuführung 5 ein Balg 84 vorgesehen, der an seiner einen Seite an einem Ventilteller 65A eines Hauptventils 65 und an seiner in longitudinaler Richtung gegenüberliegenden anderen Seite an der oberen Wand 9 der Abgaszuführung 5 befestigt ist. Der Ventilteller 65A weist eine Durchlaßöffnung 30 auf, die die Kammer 3 mit dem Innenraum des Balgs 84 gasdurchlässig verbindet, wodurch sich ein Druckausgleich zwischen der Kammer 3 und dem Innenraum des Balgs 84 ausbilden kann. Vergrößert sich das Druckgefälle p₅ -p₃', so zieht sich der

Balg 84 in seiner longitudinalen Richtung zusammen, wodurch eine Kraft in Öffnungsrichtung des Hauptventils 65 auf den Ventilteller 65A ausgeübt wird. Der Balg 84 soll so ausgeführt werden, das diese Kraft die Druckkompensationsfunktion übernimmt.

Eine solche Ausführungsform kann vorteilhaft sein, sofern Membranen mit ausreichendem Membranhub (Bälge) zur Verfügung stehen. Beispielsweise läßt sich auf diese Weise eine geringe Reibung sowie ein Wegfall der Hysterese erzielen; zudem kann der Balg 84 vorteilhafterweise gleichzeitig als Schließfeder des Hauptventils 65 wirken.

Eine auf dieser Basis beruhende Ausführungsform ist statt mit einem Balg auch mit einem Kolben 85 möglich, wie in Figur 1 1 dargestellt ist. Ein hohler Ventilkörper 66A eines Hauptventils 66 verbindet in gasdurchlässiger Weise die Kammer 3 mit dem Kompensationsraum 1 0, der den Kolben 85 aufnimmt, wodurch die Kompensation der mit dem Druckgefälle p₅ - p₃' verbunden Kraft möglich ist. Jedoch treten bei dieser Ausführungsform wiederum die kolbenspezifischen Nachteile der Reibung und der unvollständigen Dichtigkeit auf. Vorteilhaft kann daher eine Ausführungsform entsprechend der Figur 1 2 sein, bei der die hermetische Abdichtung zwischen der Abgaszuführung 5 und der Einmündung 1 nicht durch einen Dichtungsring 31 am Kolben 85 wie in Fig. 1 1 , sondern durch ein inneres Ventil 32 innerhalb des Hauptventils 67 hergestellt wird. Geöffnet wird das innere Ventil 32 mit einem Vorhub der Stange 1 3, die durch die Stelleinrichtung, insbesondere durch einen elektrischen Magneten bzw. Proportionalmagneten 14, veranlaßt wird. Solange das innere Ventil 32 geschlossen ist, hält das Druckgefälle p₅ - p₃ das innere Ventil 32 und damit das Hauptventil 67 geschlossen. Wird das innere Ventil 32 durch den Vorhub geöff- net, ergibt sich wegen einer Drosselstelle zwischen dem äußerem Umfang des

Kolbens 86 und der Wand 1 1 , deren Querschnitt im Vergleich zu dem der Durchlaßöffnung 30 im Ventilkörper 67A klein sein muß, über dem Kolben 86 im Kompensationsraum 1 0 der Druck p₃', wodurch der Druckausgleich hergestellt ist. Beeinflußbar ist der Druckausgleich durch Wahl des Durchmesserverhält- nisses von der wirksamen Fläche des Kolbens 86 zur der des Ventiltellers 67A und durch die Verhältnisse der Öffnungsquerschnitte der Drosselstelle und dem inneren Ventil 32.

Figur 1 3 zeigt eine weitere Ausführung der Abgasrückführungseinrichtung mit Druckkompensation ähnlich zu der in Figur 1 2 dargestellten Ausführungsform, mit dem Unterschied, daß hier das Hauptventil 68 mit Ventilteller 68A gemeinsam mit einem inneren Ventil 32 nicht ausschließlich durch die Feder 6, sondern auch zwangsweise von der Stange 1 3 in Schließrichtung mitgenommen wird.

Figur 1 4 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Abgasrückführungseinrichtung mit Druckkompensation mit einem inneren Ventil 34, das während des Vorhubs der Stange 1 3 geöffnet wird. Das innere Ventil 34 weist hierbei einen konischen oder vorzugsweise halbkugelförmigen Ventilteller auf. Ein am oberen Bereich der Stange 1 3 befestigter Stift 35 hat darin die Aufgabe, ein Hauptventil 69 nach dem Vorhub zur Öffnung des inneren Ventils 34 anzuheben.

Anstelle einer solchen Betätigung des inneren Ventils über die Stelleinrichtung 14 kann wahlweise auch eine eigens für die Betätigung des inneren Ventils vorgesehene Innenventilstelleinrichtung bereitgestellt sein, die unabhäniges Be- 1 7

Die Zungen 55 sind hierbei an einer Seite der Druckplatte 44 festgelegt. Eine weitere Verfeinerung der Abstimmung ist möglich durch die Anzahl der Öffnungen 29' und durch die Wahl der Durchmesser der Gasdurchtrittsöffnungen 29' .

Weiter vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Gasdurchtrittsöffnungen 29' von vornherein ausreichend groß gewählt werden und mit einer federbelasteten, an ihrem Rande abdichtenden Platte bzw. Abdichtplatte 56 verschlossen werden, wie in der in Figur 1 5 dargestellten Ausführungsform gezeigt ist. Die Abdichtplatte 56 öffnet sich in Abhängigkeit von der Druckdifferenz p₃' - p₃ mehr oder minder in einen sie umschließenden Topf 58 hinein, wobei sie längliche Öffnungen bzw. Durchlässe 59 freigibt, deren Öffnungscharakteristik bei der Abstimmung zu ermitteln ist. Über die Formgebung solcher Durchlässe können, solange sie stetig bleiben, sogar beliebige Kraft- Durchsatzcharakteristiken realisiert werden.

Je nach Abstimmung der Durchmesserverhältnisse der Kolben bzw. Membranen oder Bälge 80-89 zu den jeweiligen Hauptventilen 60-69 können bei Drücken p₃ > p₅, die beispielsweise bei einem positiven Spülgefälle durch einen Turbolader oder bei einer mechanischen Aufladung eines Motors auftreten können, sich die

Ventile 60, 64, 65, 66, 67, 68, 69 öffnen, was zu Ladeluftverlusten führen würde. Eine Möglichkeit dem entgegenzuwirken, besteht in einer Umpolung des Magneten bei Verwendung eines Permanentmagneten als Anker oder eine entsprechende Maßnahme, falls als Stelleinrichtung eine elektromotorische, pneumatische, hydraulische oder mechanische Betätigung der inneren Ventile vorgesehen ist.

Eine andere Möglichkeit besteht bei den ab Fig. 1 2 gezeigten Ausführungsformen darin, bei solchen Betriebspunkten einfach über den Magneten oder die entsprechende Stelleinrichtung das innere Ventil 32 bzw. 34 zu öffnen. Der gegenüber p₅ höhere Druck p₃ würde dann unterhalb des Hauptventils 67 bis 69 in der Kammer 3 und oberhalb des Kolbens 86 bzw. 89 anliegen, so daß das Hauptventil 67 bis 69 durch beispielsweise eine Feder geschlossen werden 1 6 tätigen von Hauptventil und innerem Ventil ermöglicht (nicht dargestellt).

Optional kann eine Schutzhülse bzw. Hülse 36 vorgesehen sein, die den Gleitsitz des Kolbens 89 in einer Führungshülse 37 gegen Verschmutzung schützt. Ein Deckel 38 ist derart ausgebildet oder mit einem separaten Füllstück versehen, um einen Raum oberhalb des Hauptventils 69, der einen Innenventilkompensa- tionsraum 1 0' darstellt, so klein wie möglich zu machen, damit der jeweils gewünschte Druck (p₅ im geschlossenen und p₃' im geöffneten Zustand) sich möglichst schnell ausbildet und so wenig Abgas wie möglich in diesen Innenven- tilskompensationsraum 10' eintreten kann. Der Gasdruck in dem Innnenventil- kompensationsraum wird durch p₁₀' bezeichnet. Falls für die Abstimmung und/oder gegen die Verschmutzung vorteilhaft, so kann ein Dichtungsring 50, der eine partielle Gasabdichtung eines Öffnungsspalts zwischen dem Kolben 89 und der Führungshülse 37 bewirkt, Verwendung finden. Um die Einfädelung des Kolbens 89 in die Führungshülse 37 zu erleichtern, hat diese an ihrem unteren

Ende eine Anschrägung an deren Innendurchmesser erhalten. Eine Stauplatte 52 wird vorgesehen, um die verfälschende Wirkung des Staudrucks, der aus dem Öffnungsquerschnitts des Hauptventils 69 strömenden Gase auf eine Druckplatte 44 zu eliminieren, d.h. es soll verhindert werden, daß der durch das Hauptventil von der Abgaszuführung 5 in Richtung der Einmündung 1 strömende Abgasstrom direkt auf die Druckplatte 44 aufströmt, da dies einen unerwünschten Impulsübertrag mit einer damit verfälschenden Auswirkung auf die Steuerungsbzw. Regeleigenschaften der Abgasrückführungseinrichtung haben kann. Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, einen Kragen 53 der Stauplatte 52 so hoch wie möglich in das Hauptventil 69 hineinzuziehen. Die Stauplatte 52 kann hierbei vorteilhafterweise gleichzeitig die obere Führung der Stange 1 3 übernehmen. Eine solche obere Führung der Stange 1 3 ist auch durch die Druckplatte 44, den Stift 35, eine Membran oder einen Balg möglich.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, Öffnungen bzw. Gasdurchtrittsöffnungen 29' in der Druckplatte 44 auch als federbelastete Ventile auszubilden. Eine solche Ausführungsform ist in Figur 1 4 dargestellt, bei der die Gasdurchtrittsöffnungen 29' durch federnde Zungen 55 unterschiedlicher Federsteifigkeit abgedeckt sind. könnte. Der geringfügige Ladeluftverlust über eine Drosselstelle zwischen Führungshülse 1 1 bzw. 37 und Kolben 86 bzw. 89 ist verkraftbar.

"Abgasrückführungseinrichtung"

Bezugszeichenliste

1. Einmündung

2. Frischgaszuführung

3. Kammer

4. Ausgangskanal

5. Abgaszuführung

6. Feder

6'. Feder

8. Wand

8'. Wand

9. Wand

10. Kompensationsraum

11. obere Wand

12. Kompensationsleitung

12A. Kompensationsleitung

13. Stange

14. Magnet oder Proportionalmagnet

15. Hebel

17. Wandvorsprung

19. Hebel

21. Hebelarm

23. Drehpunkt

24. Hebelübersetzung

25. Stern

27. Hebel

28. Stangen

29. Gasdurchtrittsöffnungen

29'. Gasdurchtrittsöffnungen 30. Durchlaßöffnung

31 . Dichtungsring

32. inneres Ventil

33. inneres Ventil 34. inneres Ventil

35. Stift

36. Schutzhülse

37. Führungshülse

38. Deckel 40. Druckplatte

41 . Druckkörper

42. Druckplatte 44. Druckplatte 50. Dichtungsring 52. Stauplatte

53. Kragen

55. Zungen

56. Abdichtplatte 58. Topf 59. Öffnungen

60. Hauptventil

60A. Ventilplatte

60A' . Ventilplatte

60B. Ventilsitz bzw. Wand 61 . Hauptventil

61 A. Drosselklappe

62-69. Hauptventil

62A-69A. Ventilplatten

80. Kolben 81 -82. Membran

84. Balg

85. Kolben 87-89. Kolben

Claims

Ansprüche

1 . Abgasrückführungseinrichtung zum Rückführen von Abgas in eine Gaszu- führung von Motoren, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, mit einer

Abgaszuführung (5) , einer Frischgaszuführung (2) und einem in die Gaszuführung mündenden Ausgangskanal (4), wobei zumindest die Abgaszuführung (5) und die Frischgaszuführung (2) über ein Steuerorgan (60-69) zum Zumessen von Abgas miteinander in Verbindung stehen und auf der der Frischgaszuführung zugewandten Seite des Steuerorgans (60-69) eine Druckplatte (40-44) angeordnet ist, die den Einfluß von auf der Abgas- (p₅) und Frischgasseite (p₃,p₃') auftretenden und sich auf den Abgasdurchsatz auswirkenden Druckschwankungen minimiert.

2. Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Steuerorgan

(60-69) durch eine mechanische, pneumatische, hydraulische, magnetische oder elektrische Stelleinrichtung (14), insbesondere einen elektrischen Magneten bzw. Proportionalmagneten (14), betätigbar ist.

3. Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Kompensationseinrichtung (80; 81 ; 82; 84; 85; 86; 89), insbesondere in Form eines Kolbens (80; 85; 86; 89), einer Membran (81 ) und/oder eines Balgs (84) vorgesehen ist, um Kräfte zu kompensieren, die aufgrund einer Druckdifferenz zwischen abgasseitigen und frischgasseitigen Gasdrücken (p₅ - p₃, p₅ - p₃') auf das Steuerorgan (60-69) wirken.

4. Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Seite der Kompensationseinrichtung (80-89) mit dem abgasseitigen Gasdruck (p₅) und die andere Seite der Kompensationseinrichtung (80-89) mit dem frisch- gasseitigen Gasdruck (p₃ bzw p₃.) beaufschlagt wird.

5. Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kompensationseinrichtung (81 ;82) über eine kinematische Übersetzung, insbeson- dere eine Hebelübersetzung (21 ;24), auf das Steuerorgan (60;64) wirkt, um einen Unterschied zwischen für den Gasdruck wirksamen Flächen einerseits des Steuerorgans (60;64) und andererseits der Kompensationseinrichtung (81 ;82) zu kompensieren.

6. Abgasrückführungseinrichtung nach Anspruch 3 bis 5, wobei die Kompensationseinrichtung (80-82; 84-86;89), das Steuerorgan (60-69) und die Druckplatte (40; 41 ; 42; 44) kraftwirksam miteinander verbunden und über die Stelleinrichtung ( 1 4) steuerbar sind.

7. Abgasrückführungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen

Ansprüche, wobei eine ortsfeste Stauplatte (52) vorgesehen ist, um ein direktes Aufströmen eines aus dem Steuerorgan (60 - 69) strömenden Abgasstroms auf die Druckplatte (40; 41 ; 42; 44) zu verhindern.

8. Abgasrückführungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen

Ansprüche, wobei das Steuerorgan (60;64;65) durch eine Federwirkung einer Membran (81 ; 82) oder eines Balgs (84) in Schließrichtung vorgespannt ist, wobei insbesondere zusätzlich eine Feder (6; 6') zur Unterstützung der Vorspannung vorgesehen sein kann.

9. Abgasrückführungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Druckplatte (40; 41 ; 42; 44) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß das Gas im wesentlichen durch genau definierte Öffnungen (29;29') in der Druckplatte (40; 41 ; 42; 44) strömt und möglichst wenig Gas um ihren äußeren Umfang herumströmt.

1 0. Abgasrückführungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Druckplatte (40; 44) mit zusätzlichen Einrichtungen (8'; 55; 56 - 59) ausgestattet ist, so daß bei geringen Abgasdurchsätzen das Abgas lediglich durch einen schmalen Spalt zwischen Druckplatte (40; 44) und Wand (8; 8') hindurchtritt bei wachsenden Druckunterschieden jedoch zusätzliche Gasdurchtrittsöffnungen (8'; 29'; 59) freigegeben wer- den.

Abgasrückführungseinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei ein Gasdruck (p₁₀') in einem Innenventilkompensations- raum ( 1 0') von dem Zusammenwirken eines inneren Ventils (34) mit einem Öffnungsspalt zwischen dem Kolben (89) und einer Führungshülse (37) des

Kolbens (89) gesteuert wird, wobei das innere Ventil (34) von der Stelleinrichtung ( 1 4) und/oder einer Innenventilstelleinrichtung betätigt wird.