DE4009923C2 - Ventil zum Dosieren des Abgasrückführstromes bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Dosieren des Abgas­ rückführstromes bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung und Abgasrückführung, mit einem Ventilsitz und einem Ventilkör­ per, der zusätzlich zu der Schließfläche auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite einen Ansatz mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aufweist.

Um den Anteil der Stickoxide (NOx) in den Abgasen von Brennkraft­ maschinen mit innerer Verbrennung möglichst gering zu halten, wird vielfach in einem weiten Betriebsbereich der Brennkraftma­ schinen Abgas rückgeführt, also in die Ansaugleitung eingeführt.

Bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung bedarf es besonders in Grenzbereichen bei kleinen Rückführraten einer exakten Dosierung, damit es nicht zu einer unkalkulierbaren Rußbildung kommt. Auch treten insbesondere beim Einsatz von herkömmlichen Abgas­ rückführventilen in Regelkreisen in Kennfeldbereichen, in denen sehr kleine Rückführraten eingeregelt werden sollen, unerwünsch­ te Schwingungen auf. Bei annähernd linearer Durchflußcharakte­ ristik des Ventils bewirkt ein nur minimaler Ventilhub bereits einen so großen Durchsatz, daß der Regler nach der ersten Reak­ tion des Ventils sofort gegensteuern muß und damit das Ventil schließt. Das führt zu Schwingungen des Regelkreises, die sich auf das gesamte Motorverhalten negativ auswirken.

Abhilfe würde ein Ventil mit einer Durchflußcharakteristik schaf­ fen, die eine flachere Steigung hat. In diesem Fall bewirken große Änderungen im Ventilhub nur kleine Änderungen im Durchsatz, und die Abgasrückführrate wird wieder "regelbar". Nachteilig ist dabei aber, daß bei annähernd gleichbleibendem Ventilhub der maximale Durchsatz nicht mehr erreichbar ist. Speziell an Diesel­ motoren werden aber in bestimmten Betriebspunkten (Leerlauf) maximale Abgasrückführraten benötigt, um das Schadstoffverhalten zu verbessern.

In der DE-AS 23 43 337 ist eine Abgasrückführvorrichtung für einen Vergasermotor beschrieben, die ein Abgasrückführventil aufweist, das mit einem Ventilkörper versehen ist, der einen kegelförmigen Schließsitz und einen daran anschließenden zy­ lindrischen, in die Ventilöffnung hineinragenden Ansatz auf­ weist. Dieses vorbekannte Abgasrückführventil erlaubt prak­ tisch nur eine Betätigungsweise nach einer Zweipunktregelung. Wird der Ventilkörper soweit angehoben, daß der freie Quer­ schnitt der Ventilöffnung im wesentlichen durch den Ringraum zwischen der Wandung der Ventilöffnung und dem Außendurchmes­ ser des zapfenförmigen Ansatzes gebildet wird, dann ist der Gasdurchsatz für den rechtlichen Teil des möglichen Ventil­ hubes konstant. Falls die vorbekannte Abgasrückführvorrich­ tung so ausgelegt ist, daß der Ventilkörper in Gänze aus der Ventilöffnung herausgehoben werden kann, dann ist nach einem Ventilhub, der durch die Länge des zapfenartigen Ansatzes vorge­ geben ist, noch eine weitere Steigerung der Abgasrückführrate möglich. Die mit der vorbekannten Abgasrückführvorrichtung mög­ lichen Mengenregelungen sind daher zwischen den durch die Form des Ventilkörpers vorgegebenen Betriebspunkte sprunghaft veränder­ bar. Eine Änderung der Durchflußrate in Abhängigkeit vom Ventilhub ist durch die vorbekannte Anordnung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zum Dosieren des Abgasrückführstromes bei Brennkraftmaschinen mit in­ nerer Verbrennung zu schaffen, das den Betriebsbedingungen in be­ sonders günstiger Weise angepaßt ist, und das insbesondere uner­ wünschte Regelkreisschwingungen und Rußbildungen im Abgas vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß bei kleinen Ventilhüben eine Feindosierung des Abgasrückführstromes erfolgt, während bei größeren Ventilhüben der Strömungsweg für das Abgas vollständig oder fast vollständig freigegeben ist.

Auch kann es vorteilhaft sein, daß der Ansatz und/oder das Ven­ tilgehäuse eine solche Form haben, daß die Steigung der Funktion der zeitlichen Durchflußmenge in Abhängigkeit vom Ventilhub sich ändert, wenn der Ventilkörper eine Hubhöhe hv1 zwischen 0 und hvmax über- bzw. unterschreitet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß die Steigung der Funktion der zeitlichen Durchflußmenge in Abhängigkeit vom Ventilhub bei hv1 hv hvmax bei Austreten des zapfenartigen Ansatzes aus dem Ventilgehäuse höhere Werte an­ nimmt.

Auch können der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß die Steigung der Funktion der zeitlichen Durch­ flußmenge in Abhängigkeit vom Ventilhub bei kleinen Ventilhüben 0 hv hv1 eine kleinere Steigung aufweist als bei großen Ventilhüben hv1 hv hvmax.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Abgasrückführsystem, in dem das Do­ sierventil gemäß der Erfindung mit Vorteil angewandt werden kann,

Fig. 2 und Fig. 3 schematisch und in Seitenansicht eine erste Ausführungsform des Dosierventils gemäß der Erfindung in zwei verschiedenen Betriebszuständen,

Fig. 4 bis Fig. 9 in ähnlicher Darstellung weitere vorteilhafte Ausführungsformen in jeweils zwei verschiedenen Betriebszuständen,

Fig. 10 und Fig. 11 in Seitenansicht vorteilhafte Ausbildungen des Ventilkörpers,

Fig. 12 und Fig. 13 vorteilhafte Ausbildungen des Ventilgehäu­ ses,

Fig. 14 im Diagramm ein Beispiel für die Abhängigkeit des geometrischen Öffnungsquerschnitts A in Abhängigkeit von dem Ven­ tilhub und

Fig. 15 die Abhängigkeit des volumetrischen Durchsatzes B von dem Ventilhub.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Abgasrückführsystem einer Brenn­ kraftmaschine 1 ist das eine Ende einer Abgasrückführleitung 2 mit Ansaugleitung 3 und das andere Ende mit Abgasleitung 4 ver­ bunden. Luft strömt in die Ansaugleitung 3 in Richtung des Pfei­ les 5, während Abgas in Richtung des Pfeiles 6 aus Abgasleitung 4 abströmt. Abgasrückführventil 7 öffnet nur bei bestimmten Be­ triebszuständen. Bei Öffnung des Ventils 7 strömt das Abgas in Richtung des Pfeiles 8. Die Ansteuerung des Ventils 7 kann bei­ spielsweise mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Ventilge­ häuse 9 und einem Ventilkörper 10. Der Ventilkörper 10 besteht aus Ventilschaft 11, Schließfläche 12 und einem zapfenförmigen An­ satz 13 von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt. Die Außen­ fläche des in Seitenansicht trapezförmigen zapfenförmigen Ansatzes 13 schließt mit einer zur Ventilachse parallelen Linie den spitzen Winkel α ein.

Während Fig. 2 die Position des Ventilkörpers 10 kurz vor oder nach der geschlossenen Stellung, also bei geringem Ventilhub, zeigt, ist in Fig. 3 die Position des Ventilkörpers 10 in weit geöffneter Stellung, also bei großem Ventilhub, gezeigt. Die Be­ triebsweise bei Bewegung des Ventilkörpers 10 in der in Fig. 2 dargestellten Position entspricht der "Feindosierung", während die Position des Ventilkörpers 10 in Fig. 3 auch als "voll ge­ öffnet" bezeichnet werden kann.

Durch diese Bauart ist ein Ventil geschaffen, das nicht nur den maximalen Öffnungsquerschnitt freigeben kann, sondern insbeson­ dere bei kleinen Ventilhüben eine gute Feindosierung des rückge­ führten Abgases ermöglicht.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Ventil- und Gehäuse­ körpers ist diese Feindosierung sehr viel besser möglich als mit einem herkömmlichen Tellerventil oder Ventilen anderer Bauart.

Andererseits stellt die Erfindung sicher, daß bei annähernd glei­ cher Baugröße des Ventilgehäuses ein annähernd gleicher maximaler Abgasrückführstrom durchgesetzt werden kann.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsform unter­ scheidet sich von der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Aus­ führungsform dadurch, daß der zapfenförmige Ansatz 23 zylindrisch ausgebildet ist, so daß seine Außenfläche zur Ventilachse paral­ lel ist. Nunmehr ist im Gegensatz zu der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform die Innenfläche des Ventilgehäuses nicht zur Ventilachse parallel, sondern sie schließt mit Paralle­ len zur Ventilachse einen spitzen Winkel α ein.

Die in den Fig. 6 und 7 sowie 8 und 9 dargestellten Ausfüh­ rungsformen entsprechen in der Gestaltung und der Funktion im wesentlichen den in den Fig. 2 und 3 sowie 4 und 5 dargestell­ ten Ausführungsformen, jedoch mit dem Unterschied, daß der Schaft 31 bzw. 41 sich innerhalb des Ventilgehäuses 39 bzw. 49 befindet.

Die in Fig. 10 dargestellte Form des Ventilkörpers unterscheidet sich von der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Form dadurch, daß er im unteren Teil eine beispielsweise durch einen Fräsvor­ gang erzeugte Fase 14 aufweist, während an der entsprechenden Stelle bei der in Fig. 11 dargestellten Form eine Rundung 15 vorhanden ist.

Die in den Fig. 12 und 13 dargestellten Formen des Ventilge­ häuses entsprechen im wesentlichen der in den Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Form, jedoch ist gemäß Fig. 12 eine zusätzliche Fase 16 vorgesehen, während an der entsprechenden Stelle gemäß Fig. 13 eine Rundung 17 vorhanden ist.

Fig. 14 zeigt den geometrischen Öffnungsquerschnitt A als Funk­ tion des Ventilhubes hv. Man erkennt, daß bei der Bewegung des Ventilkörpers eines Ventils in der Ausbildung gemäß der Erfin­ dung aus der geschlossenen Lage auf dem Hubweg 100 von 0 bis hv1 sich nur eine geringe Zunahme des geometrischen Öffnungsquerschnitts A ergibt, während auf dem Hubweg 101 zwischen hv1 und hvmax eine starke Zunahme des geometrischen Öffnungsquerschnitts erfolgt.

Fig. 15 zeigt den Verlauf des durchgesetzten Gasvolumens B als Funktion des Ventilhubes hv bei konstantem Druckgefälle. Ähnlich wie bei Fig. 14 ergibt sich auf dem Hubweg 102 von 0 bis hv1 nur eine geringe Zunahme des durchgesetzten Gasvolumens B, während auf dem Hubweg 103 zwischen hv1 und hvmax eine starke Zunahme des durchgesetzten Gasvolumens erfolgt.

Durch die Zweistufigkeit der Kurve des durchgesetzten Gasvolumens als Funktion des Ventilhubes ist eine Feindosierung des Durchsat­ zes (flache Charakteristik) möglich, so lange der zapfenförmige Ansatz des Ventilkörpers in den Ventilsitz eintaucht. Wird der Ventilkörper mit dem Ansatz aus dem Sitz herausgezogen, reagiert der Durchsatz wie beim Tellerventil (steile Charakteristik). Ein solches Ventil mit zweistufiger Charakteristik ist am Dieselmotor ausgezeichnet regelbar.

Auch sind Ausführungen mit drei- oder mehrstufiger Charakteristik denkbar. Beispiele finden sich in den Fig. 10 und 12.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise mög­ lich, daß der zapfenförmige Ansatz des Ventilkörpers aus Vollma­ terial besteht, jedoch kann er zur Gewichtsminimierung auch hohl­ gebohrt sein.

Claims (13)

1. Ventil zum Dosieren des Abgasrückführstromes bei Brennkraft­ maschinen mit innerer Verbrennung und Abgasrückführung, mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper, der zusätzlich zu der Schließfläche auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite einen zapfenförmigen Ansatz mit im wesentlichen kreisförmigem Quer­ schnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß bei kleinem Ventil­ hub eine kleine Änderung der Durchgangsöffnung in Abhängigkeit von dem Hubweg eintritt, und daß bei großem Ventilhub eine große Änderung der Durchgangsöffnung in Abhängigkeit von dem Hubweg eintritt, und daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß die Steigung der Funktion der zeitlichen Durch­ flußmenge in Abhängigkeit vom Ventilhub sich ändert, wenn der Ventilkörper eine Hubhöhe hv1 zwischen 0 und hvmax über- bzw. un­ terschreitet.

2. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß bei kleinen Ventilhüben eine Feindosierung des Abgasrückführ­ stromes erfolgt, während bei größerem Ventilhub der Strömungsweg für das Abgas vollständig oder vollständig freigegeben ist.

3. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß die Steigung der Funktion der zeitlichen Durchflußmenge in Abhängigkeit vom Ventilhub bei hv1 hv hvmax bei Austreten des zapfenförmigen Ansatzes aus dem Ventilgehäuse höhere Werte an­ nimmt.

4. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ansatz und/oder das Ventilgehäuse eine solche Form haben, daß die Steigung der Funktion der zeitlichen Durch­ flußmenge in Abhängigkeit vom Ventilhub bei kleinen Ventilhüben 0 hv hv1 eine kleinere Steigung aufweist als bei großen Ven­ tilhüben hv1 hv hvmax.

5. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zapfenförmige Ansatz des Ventilkörpers auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite scharfkantig abschließt.

6. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zapfenförmige Ansatz des Ventilkörpers auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite eine Abschrägung nach Art einer Fase aufweist.

7. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zapfenförmige Ansatz des Ventilkörpers auf der dem Ventilsitz zugewandten Seite einen abgerundeten Rand auf­ weist.

8. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventilgehäuse auf der dem Ventilkörper zu­ gewandten Seite eine Abschrägung nach Art einer Fase aufweist.

9. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventilgehäuse auf der dem Ventilkörper zu­ gewandten Seite einen abgerundeten Rand aufweist.

10. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper aus Vollmaterial besteht.

11. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper hohlgebohrt ist.

12. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der zapfenförmige Ansatz in Seitenansicht Trapezform hat, deren nicht-parallele Seite mit der Ventilachse einen spitzen Winkel einschließt.

13. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung der dem Ventilkörper zuge­ wandten Seite des Ventilgehäuses mit der Ventilachse einen spit­ zen Winkel einschließt.