DE4410487C1 - Abgasrückführventil einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführventil einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 37 29 468 A1 ist bereits ein gattungsgemäßes Abgas­ rückführventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, das ein Ven­ tilgehäuse mit einer Ventilführung zur Führung eines Ventil­ schaftes und einen an diesem angeordneten und mit einem Ventil­ sitz zusammenwirkenden Ventilteller aufweist. Das Abgasrückführ­ ventil umfaßt eine in einem Membrangehäuse angeordnete Membran, die mit dem Ventilschaft verbunden ist und zwei Steuerkammern abtrennt, die zur Steuerung des Abgasrückführventils mit unter­ schiedlichen Drücken beaufschlagbar sind, wobei eine der beiden Steuerkammern über einen elektro-pneumatischen Druckwandler mit der Einlaßseite der Brennkraftmaschine verbunden ist und zur Öffnung des Ventils über den Druckwandler mit Unterdruck beauf­ schlagbar ist. Desweiteren ist in dem Abgasrückführventil eine Rückstellfeder angeordnet, die es in einer geschlossenen Grund­ stellung hält.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druck­ schriften DE 34 44 877 C2, DE 39 35 093 C2 und DE 40 24 088 C1 verwiesen.

Ein Nachteil von Abgasrückführventilen der gattungsgemäßen Art liegt darin, daß zur Regelung der Abgasrückführung aus dem Mo­ torkennfeld und zur Öffnung des Abgasrückführventils ein diesem vorgeschalteter elektro-pneumatischer Druckwandler benötigt wird, der einen elektronisch einstellbaren Steuerdruck in der Steuerkammer des Membrangehäuses aufbaut, der zwischen Atmosphä­ rendruck und maximalem Unterdruck einer Unterdruckquelle der Brennkraftmaschine liegt. Der elektro-pneumatische Druckwandler benötigt eine verhältnismäßig aufwendige pneumatische Verkabe­ lung für seine diversen Anschlußkanäle. Zudem bleibt die An­ steuerung des Abgasrückführventils durch dessen rein pneumati­ sche Betätigung systembedingt relativ ungenau.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß bei hohem Abgasgegendruck wegen des in Ventilöffnungsrichtung wirkenden Abgasdruckes hohe Schließ­ kräfte für das Abgasrückführventil erforderlich sind und zwar speziell in Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, in denen keine Abgasrückführung erwünscht ist, beispielsweise bei Vollast. Da die in Ventilschließrichtung wirkende Federkraft der Rückstellfeder größer sein muß, als die in Ventilöffnungsrich­ tung wirkende Kraft, die durch den Abgasdruck auf die wirksame Ventiltellerfläche entsteht, sind relativ groß dimensionierte Rückstellfedern erforderlich, um ein sicheres Schließen des Ab­ gasrückführventils auch bei Vollast bzw. maximalem Abgasgegen­ druck zu erreichen. Zudem entstehen durch die hohen Federkräfte großvolumig gebaute und gewichtsmäßig relativ schwere pneumati­ sche Ventilbetätigungseinrichtungen (Membrangehäuse nebst zuge­ hörigen Komponenten), da bei gewollter Ventilöffnung der im Steuerraum aufgebaute und die wirksame Membranfläche beaufschla­ gende Unterdruck immer die auf maximalen Abgasgegendruck (Vollast) ausgelegte hohe Federkraft der Rückstellfeder überwin­ den muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasrückführventil mit möglichst geringer Ventilbetätigungs­ kraft konstruktiv einfach und baulich kompakt so auszubilden, daß eine exakte Regelung der Abgasrückführrate aus dem Motor­ kennfeld heraus erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch für relativ gro­ ße Ventilquerschnitte und/oder hohen in Ventilöffnungsrichtung wirkenden Abgasgegendrücken kompakt bauende und mit relativ ge­ ringen Verstellkräften arbeitende Abgasrückführventile einfach realisierbar sind. Durch die Verbindung der Ladeluftleitung mit der Steuerkammer des Membrangehäuses wird ermöglicht, daß die Schließkraft der Rückstellfeder durch den in Ventilschließrich­ tung auf die Membranfläche wirkenden Ladeluftdruck unterstützt wird. Die Rückstellfeder und mit ihr die gesamte elektrische Ventilbetätigungseinrichtung kann deshalb entsprechend klein di­ mensioniert werden, so daß diese bei gewollter Ventilöffnung durch die elektrische Ventilbetätigungseinrichtung nur die rela­ tiv kleine Federkraft der Rückstellfeder überwinden muß.

So wird im Vollastbetrieb die erforderliche Schließkraft des Ventils im wesentlichen durch den Ladeluftdruck und nur in ge­ ringem Maße von der Rückstellfeder übernommen. Diese muß das Ab­ gasrückführventil nur noch im Teillastbereich positionieren und nicht mehr im Vollastbetrieb geschlossen halten.

Durch die direkte elektronische Ansteuerung des Ventils ist ei­ ne schnelle und zuverlässige Regelung der Abgasrückführrate aus dem Motorkennfeld heraus möglich. Zudem kann im Vergleich zum gattungsgemäßen Stand der Technik ein Großteil der pneumatischen Verkabelung entfallen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch das ladeluftdruckunterstützte Schließen des Abgasrückführventils kür­ zere Ventilschließzeiten als im gattungsgemäßen Stand der Tech­ nik realisierbar sind.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist eine bevor­ zugte Bauausführung des elektro-pneumatischen Abgasrückführven­ tils.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 3 stellt auch für ungünstige Druckverhältnisse von Abgasgegendruck zu Lade­ luftdruck ein zuverlässiges Schließen des Abgasrückführventils sicher.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Sie zeigt einen Vollschnitt eines Ab­ gasrückführventils 1 mit elektrischer Ventilbetätigungseinrich­ tung 2, das in einer Ladeluftleitung 3 (Einlaßseite) einer nicht näher dargestellten aufgeladenen Brennkraftmaschine angeordnet ist. In die Ladeluftleitung 3 mündet eine Abgasrückführungslei­ tung 4, die von einer nicht dargestellten Abgasleitung der Brennkraftmaschine abzweigt, wobei die Mündung der Abgasrückfüh­ rungsleitung 4 durch das Abgasrückführventil 1 verschließbar ist.

Das Abgasrückführventil 1 umfaßt ein Ventilgehäuse 5 mit einer Ventilführung 6 zur Führung eines Ventilschaftes 7 und einen an diesem angeordneten und mit einem Ventilsitz 8 zusammenwirkenden Ventilteller 9 sowie eine in einem Membrangehäuse 10 angeordnete Membran 11, die mit dem Ventilschaft 7 verbunden ist und zwei Steuerkammern 12 und 13 abtrennt, die zur Steuerung des Abgas­ rückführventils 1 mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar sind. Die Steuerkammer 12 ist durch eine Leitung 14 mit der Ladeluftleitung 3 der Brennkraftmaschine verbunden. Desweiteren umfaßt das Abgasrückführventil 1 eine Rückstellfeder 15, die es in einer geschlossenen Grundstellung hält.

Die mit der Membran 11 gekoppelte elektrische Ventilbetätigungs­ einrichtung 2 umfaßt einen mit dem Ventilschaft 7 verbundenen Anker 16 und einen diesen umschließenden Topfmagneten 17 nebst elektrischen Anschlüssen 18.

In der Leitung 14 ist ein regelbares Ausgleichsventil 19 ange­ ordnet, mit dem der Druck p_S12 in der Steuerkammer 12 in Abhän­ gigkeit vom Abgasdruck p_A in der Abgasrückführungsleitung 4 so regelbar ist, daß die Schließkraft F_S des Abgasrückführventils 1 der in Schließrichtung wirkenden Federkraft F_F der Rückstellfe­ der 15 entspricht. Um dies zu erreichen, muß folgendes Kräfte­ gleichgewicht herrschen (stationär):

p_{S12 *} A_M12 + p_{L *} A_TL + p_{T *} A_SA - p_{S13 *} A_M13 - p_{A *} ATA = 0.

Dabei bedeutet A_M12, A_M13 die von der jeweiligen Steuerkammer 12 bzw. 13 aus betrachtete wirksame Fläche für den Druck p_S12 bzw. p_S13 in der jeweiligen Steuerkammer 12 bzw. 13. Im gezeigten Beispiel ist die Steuerkammer 13 über eine Ausgleichsbohrung 21 mit der Atmosphäre (Atmosphärendruck p_∞) verbunden. Somit gilt: p_S13 = p_∞.

_TL, A_TA ist die für den Ladeluftdruck p_L bzw. den Abgasgegen­ druck p_A wirksame Fläche des Ventiltellers 9 und A_SA ist die für den Druck p_T im Innenraum des Topfmagneten 17 oberhalb des An­ kers 16 wirksame Fläche der Kombination Anker 16/Ventilschaft 7, wobei sich in dem Raum oberhalb der Fläche A_SA meist der Druck p_S12 einstellt, da die Steuerkammer 12 und der Innenraum des Topfmagneten 17 oberhalb des Ankers 16 nicht gegeneinander abgedichtet sind. Dann gilt: p_T = p_S12.

Für kleinen Spaltabstand zwischen Topfmagneten 17 und Anker 16 kann dieser einen zusätzlichen Verbindungskanal aufweisen, der einen schnellen Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Topf­ magneten 17 oberhalb des Ankers 16 und Steuerkammer 12 sicher­ stellt.

Gilt oben genanntes Kräftegleichgewicht und ist eine Abgasrück­ führung nicht erwünscht, ist bei stromlos geschalteter elektri­ scher Ventilbetätigungseinrichtung 2 (elektrische Betätigungs­ kraft F_el = 0) die Schließkraft F_S des Abgasrückführventils 1 gleich der in Ventilschließrichtung wirkenden Federkraft FF der Rückstellfeder 15.

Im oben angesetzten Kräftegleichgewicht wird auch der Kern der Erfindung klar: Die bei Vollastbetrieb (keine Abgasrückführung erwünscht) benötigte maximale Schließkraft des Abgasrückführven­ tils (maximaler Abgasdruck p_A auf die Ventiltellerfläche A_A) wird nicht von der Rückstellfeder 15, sondern pneumatisch mit Hilfe des Ladeluftdruckes p_L aufgebracht. Somit muß die Rück­ stellfeder 15 das Abgasrückführventil 1 nur noch im Teillastbe­ reich positionieren und kann deshalb wesentlich kleiner dimen­ sioniert sein. Da bei einer gewünschten Ventilöffnung im Teil­ lastbereich die Betätigungskraft F_el der elektrischen Ventilbe­ tätigungseinrichtung 2 nunmehr nur noch die relativ geringe Fe­ derkraft F_F der Rückstellfeder 15 überwinden muß, genügt eine kompakte und damit leichte elektrische Ventilbetätigungseinrich­ tung 2 mit relativ kleiner elektrischer Leistungsaufnahme.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in der zur Steu­ erkammer 12 führenden Leitung 14 anstelle des Ausgleichsventils 19 ein 3/2-Wegeventil angeordnet, dessen Belüftungsanschluß an die Ladeluftleitung und an eine Unterdruckversorgung der Brenn­ kraftmaschine angeschlossen ist, so daß die Druckbeaufschlagung der Steuerkammer 12 mit Unterdruck oder mit Ladeluftdruck steu­ erbar ist. Anstelle des 3/2-Wegeventils kann auch ein elektro­ pneumatischer Druckwandler verwendet werden.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung der Erfindung, insbesondere bei einer konstruktiven Variante, in der die Rück­ stellfeder 15 nicht wie im Ausführungsbeispiel gezeigt von oben auf den Ventilschaft drückt, sondern in der Ladeluftleitung 3 angeordnet ist und sich direkt auf der schaftseitigen Stirnseite des Ventiltellers 9 abstützt, kann die Rückstellfeder 15 auch durch einen Metallbalg gebildet sein, wobei dieser mit seinem einen Ende am Ventilschaft 7 oder an der schaftseitigen Stirn­ seite 20 des Ventiltellers 9 und mit seinem anderen Ende am Ven­ tilgehäuse 5 abdichtend befestigt ist. Durch eine derartige An­ ordnung eines Metallbalges wird neben dessen Federwirkung gleichzeitig eine Abdichtung Ladeluftleitung 3 nebst Ventilfüh­ rung 6 gegen die ventilführungsseitige, mit der Atmosphäre ver­ bundene Steuerkammer 13 des Membrangehäuses 10 erreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ab­ gasrückführventils ist dieses mit einer Ventilhuberkennungseinrichtung und einer Ventilhubrückmeldeeinrichtung ausgestattet, die ein den Ventilhub h repräsentierendes Signal an das Motormanagement der Brennkraftmaschine zurückmeldet. Ventilhuberkennungs- und rück­ meldeeinrichtungen sind prinzipiell bekannt, wobei die Hubmes­ sung z. B. induktiv, potentiometrisch oder über Hall-Sensoren er­ folgen kann.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in der Leitung 14 ein Ladedrucksensor 22 zur Messung des Ladeluftdruckes angeord­ net, wobei das Signal des Ladedrucksensors 22 an das Motor­ management der Brennkraftmaschine übermittelt wird. Durch die Messung des Ladeluftdruckes p_L in der Leitung 14 (anstatt z. B. direkt in der Ladeluftleitung 3) ist ein eventueller Defekt in der Leitung 14 oder ein Riß der Membran 11 gut erkennbar. So kann die Brennkraftmaschine selbst bei einem derartigen Defekt mit entsprechend reduzierter Saugmotoren-Einspritzmenge weiter betrieben werden.

Claims (9)

1. Abgasrückführventil einer Brennkraftmaschine, das ein Ventil­ gehäuse mit einer Ventilführung zur Führung eines Ventilschaftes und einen an diesem angeordneten und mit einem Ventilsitz zusam­ menwirkenden Ventilteller aufweist, wobei das Abgasrückführven­ til eine in einem Membrangehäuse angeordnete Membran umfaßt, die mit dem Ventilschaft verbunden ist und zwei Steuerkammern ab­ trennt, die zur Steuerung des Abgasrückführventils mit unter­ schiedlichen Drücken beaufschlagbar sind, wobei eine der beiden Steuerkammern durch eine Leitung mit der Einlaßseite der Brenn­ kraftmaschine verbunden ist und das Abgasrückführventil eine Rückstellfeder umfaßt, die es in einer geschlossenen Grundstel­ lung hält, dadurch gekennzeichnet, daß bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen die mit einer Ladeluft­ leitung (3) verbundene Steuerkammer (12) durch einen über Atmo­ sphärendruck liegenden und auf die Membran (11) in Ventil­ schließrichtung wirkenden Ladeluftdruck (p_L) beaufschlagbar ist und das Abgasrückführventil (1) eine mit der Membran (11) gekop­ pelte elektrische Ventilbetätigungseinrichtung (2) umfaßt.

2. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ventilbetätigungseinrichtung (2) einen mit dem Ventilschaft (7) verbundenen Anker (16) und einen diesen um­ schließenden Magneten (17) nebst elektrischen Anschlüssen (18) umfaßt.

3. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (14) ein regelbares Ausgleichsventil (19) an­ geordnet ist, über das der Druck (p_S12) in der Steuerkammer (12) in Abhängigkeit vom Abgasdruck (p_A) in der Abgasrückführungslei­ tung (4) so regelbar ist, daß die Schließkraft (F_S) des Abgas­ rückführventils (1) der in Schließrichtung wirkenden Federkraft (FF) der Rückstellfeder (15) entspricht.

4. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (15) durch einen Metallbalg gebildet ist.

5. Abgasrückführventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbalg mit seinem einen Ende am Ventilschaft (7) oder an der schaftseitigen Stirnseite (20) des Ventiltellers (9) und mit seinem anderen Ende am Ventilgehäuse (5) befestigt ist.

6. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zur Steuerkammer (12) führenden Leitung (14) ein 3/2- Wegeventil angeordnet ist, dessen Belüftungsanschluß an die Ladeluftleitung (3) und an eine Unterdruckversorgung der Brenn­ kraftmaschine angeschlossen ist, so daß die Druckbeaufschlagung der Steuerkammer (12) mit Unterdruck oder mit Ladeluftdruck (p_L) steuerbar ist.

7. Abgasrückführventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zur Steuerkammer (12) führenden Leitung (14) ein elektro-pneumatischer Druckwandler angeordnet ist, dessen Belüf­ tungsanschluß an die Ladeluftleitung (3) der Brennkraftmaschine angeschlossen ist.

8. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrückführventil (1) eine Ventilhuberkennungs- und Ventilhubrückmeldeeinrichtung umfaßt, mit deren Hilfe ein den Ventilhub (h) repräsentierendes Signal an ein Motormanagement der Brennkraftmaschine rückmeldbar ist.

9. Abgasrückführventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (14) ein Ladedrucksensor (22) zur Messung des Ladeluftdruckes (p_L) angeordnet ist.