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Die
Erfindung betrifft eine Abgasrückführungsanordnung
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine
Abgasrückführung (AGR)
mit einer elektromotorischen, stufenlos geregelten Durchflussregulierung
ist zum Erreichen der derzeitigen und zukünftigen Abgasnormen bei direkt
einspritzenden Otto- und Dieselmotoren zwingend erforderlich. Bei
der Abgasrückführung wird
ein Teil des verbrannten Abgases am Auspuffkrümmer entnommen und dem Ansauggemisch über eine
Rohrleitung am Ansaugkrümmer
wieder zugeführt.
Mit einem elektronisch betätigten
AGR-Ventil wird
die AGR-Rate stufenlos an den von der Motorsteuerung errechneten
Bedarf mit der geforderten Dynamik angepasst. Auf diese Weise wird
ein Teil des Abgases zweimal verbrannt und es werden die gewünschten
Effekte zur Reduzierung der NOx-Emissionen erreicht.
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Dieselmotoren
benötigen
aufgrund der deutlich höheren
Rückführungsraten
und den damit verbundenen höheren
Temperaturen des Ansauggemisches zusätzlich einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher,
um die Abgastemperatur von ca. 450°C auf 150°C bis 200°C zu senken. Derartige AGR-Kühler verfügen über eine
pneumatische Bypassklappe, mit der der Kühler im Kaltbetrieb ausgeschaltet
werden kann. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die für die volle
Funktion notwendige Abgastemperatur im Katalysator und in einem
Russpartikelfilter nach dem Kaltstart des Motors schnellstmöglich erreicht wird.
Es ist bekannt, den Kühler
und die Bypassklappe aus Edelstahl zu fertigen und zu einer Baueinheit zu
kombinieren. Zusätzlich
ist jedoch ein Ventil zur Mengenregulierung des Abgases erforderlich,
das entweder vor oder hinter dem Kühler angeordnet wird.
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Derzeit
werden hauptsächlich
zwei Arten von elektrisch betriebenen Ventilen verwendet. Zum einen
kommt ein rotatorisches Klappenventil zum Einsatz mit einem auf
einer Achse gelagerten, drehbaren Ventilteller, der um maximal 90° geschwenkt
werden kann. Die zweite Art eines Ventils ist ein Stößelventil,
bei welchem über
eine translatorische Hubbewegung des Stößels ein der Hubhöhe entsprechender
Querschnitt im Abgasrohr zur Abgasdurchströmung freigegeben wird.
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Nachteilig
bei den bekannten Ventilanordnungen ist, dass zum einen ein Stellelement
vorgesehen sein muss, um beispielsweise eine Bypassklappe in die
gewünschte
Position zu bringen. Zusätzlich ist
jedoch ein zweites Ventil zur Mengenregulierung des Abgases erforderlich.
Diese zwei getrennten Baugruppen müssen unabhängig voneinander angesteuert
werden, was viele bewegliche Teile und eine entsprechende Anzahl
von Lagerstellen für
die Ventilkörper
erforderlich macht. Hinzu kommt der erhöhte Bauraumbedarf durch zwei
voneinander unabhängige
Aktuatoren, nämlich
einer Unterdruckdose für
die Bypassklappe und einem elektrischen, stufenlosen Versteller
für das
Ventil zur Mengenregulierung des Abgasstroms.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Funktionen
einer Kühlerbypasseinstellung
und die Funktion der Mengenregulierung in bauraumsparender Weise
in einem kombinierten Stellelement zu vereinen.
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Diese
Aufgabe ist bei einer Abgasrückführungsanordnung
(AGR-Anordnung) mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen AGR-Anordnung
ist ein Kühler
vorgesehen, der mit einem Ventilgehäuse gekoppelt ist, welches
in bekannter Weise einen Einlasskanal und einen Auslasskanal für das dem
Kühler
zu- und abzuleitende Abgas aufweist. Im Ventilgehäuse ist
ein von einem Stellantrieb angetriebener Ventilkörper angeordnet, der einerseits
zur Veränderung
der Durchflussmenge des Abgases im Kühler dient, andererseits aber
auch die Bypassregelung übernimmt.
Durch diesen Ventilkörper
kann festgelegt werden, ob das Abgas durch den Kühler strömen soll oder nicht.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass der Ventilkörper ein linear innerhalb eines
Ventilgehäuses
verschiebbarer Kolben ist, durch welchen der Innenraum des Ventilgehäuses in
eine Einlasskammer und eine Auslasskammer unterteilt ist, wobei
an die Einlasskammer der Kühlereinlass
und an die Auslasskammer der Kühlerauslass
angeschlossen ist. Das wesentliche bei dieser Anordnung ist die
Orientierung des Einlasskanals, der quer zur Hubrichtung des Ventilkörpers in
den Innenraum mündet
und dadurch von einer umfangsseitigen Mantelfläche des Ventilkörpers zumindest
teilweise, d.h. auch vollständig
sperrbar ist. Der Einlasskanal wird also nicht wie üblicherweise
von der Kolbenoberfläche
verschlossen, sondern von der Kolbenmantelfläche.
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Die
Kolbenober- und -unterseite sind jeweils der Einlass- bzw. Auslasskammer
zugewandt, so dass diese fluiddicht gegeneinander abgedichtet sind.
Je nach Stellung des Ventilkörpers
kann die Einlasskammer verkleinert und zeitgleich die Auslasskammer
vergrößert werden.
Umgekehrt kann auch die Auslasskammer verkleinert und gleichzeitig die
Einlasskammer vergrößert werden.
Da durch eine Verlagerung des Ventilkörpers der Einlasskanal zumindest
teilweise freigegeben wird, strömt
Abgas entweder in die Einlasskammer oder unmittelbar unter Umgehung
des Kühlers
in die Auslasskammer. Das besondere ist, dass über eine teilweise Bedeckung
des Einlasskanals nicht nur die Auslen kungsrichtung des Abgases
innerhalb des Ventilgehäuses, sondern
zudem die Menge des Abgases geregelt werden kann.
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Auf
diese Weise ist im Rahmen der Erfindung nur ein einziges Stellelement
erforderlich, das entsprechend wenig Lagerstellen benötigt, ein
geringeres Gewicht hat und zudem weniger Bauraum benötigt als
zwei separate Ventilanordnungen einschließlich der zugehörigen Stellantriebe
und deren Steuerung. Die erfindungsgemäße AGR-Anordnung ist auch bei
einer eventuell später
notwendigen Kühlung
der Abgasrückführung in
einem Ottomotor verwendbar.
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Die
AGR-Anordnung kann aus Edelstahl oder z.B. aus Gussstahl gefertigt
sein und ist daher hitzebeständiger
ausführbar,
als Ventilgehäuse
aus Aluminium. Da auch die Kühler
in der Regel aus Edelstahl bestehen, können für den Kühler und die an dem Kühler angeordnete
Ventileinheit gleiche Materialien verwendet werden. Als weiterer
Vorteil ist zu nennen, dass der Stellantrieb in Form eines elektrischen
Aktuators unmittelbar an dem Ventilgehäuse befestigt sein kann. Der
Stellantrieb kann direkt in einen Deckel integriert werden, der
die Einlasskammer des Ventilgehäuses
bedeckt.
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Grundsätzlich ist
es im Rahmen der Erfindung möglich,
den Innenraum des Ventilgehäuses unrund
zu gestalten. Es wird jedoch als zweckmäßig angesehen, den kolbenförmigen Ventilkörper zylindrisch
auszugestalten, da auf diese Weise auch zylindrische Dichtmittel
zum Einsatz kommen. Grundsätzlich
soll der Ventilkörper
eine obere und eine untere Dichtung aufweisen, die in einem Abstand
zueinander angeordnet sind, der größer ist als der Durchmesser
bzw. die in Hubrichtung gemessene Höhe des Einlasskanals. Auf diese
Weise ist es möglich, den
zwischen den Dichtungen liegenden Bereich des Ventilkörpers so
zu positionieren, dass der Einlasskanal vollständig gesperrt wird. In jedem
Fall ist aber sichergestellt, dass Abgase nicht unmittelbar von
der Einlasskammer zur Auslasskammer bzw. unmittelbar von der Auslasskammer
zur Einlasskammer unter Umgehung des Kühlers übertreten können.
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Um
die Höhe
des Kolbens in Grenzen zu halten, ohne den Querschnitt des Einlasskanals
zu sehr zu reduzieren, ist vorgesehen, dass der Einlasskanal breiter
als hoch ist, wobei die Höhe
des Einlasskanals in Hubrichtung gemessen wird. Der Einlasskanal kann
z.B. schlitzförmig
konfiguriert sein und sich dadurch über ein größeres Segment des Gehäuses verteilen.
Auf diese Weise ist es möglich,
in sehr Platz sparender Bauweise Ventilkörper mit geringer Höhe einzusetzen
und dadurch Bauraum und Gewicht zu sparen.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die Abgasmenge, die in das Ventilgehäuse einströmt, über die Stellung des Ventilkörpers geregelt.
Dieser gibt je nach Stellung einen definierten Querschnitt des zur
besseren Mengenregulierung vorzugsweise schräg angeordneten Einlasskanals
frei. Das bedeutet, dass der Einlasskanal in einem Winkel zwischen
60° und
90° zur Hubrichtung
angeordnet ist. Selbstverständlich
ist die Dicke des Ventilkörpers
bzw. des Kolbens so bemessen, dass er in der Bypassstellung, in
welcher Abgas unmittelbar in die Auslasskammer einströmt, den Querschnitt
des Einlasskanals vollständig
freigibt. Umgekehrt soll der Ventilkörper auch in der Kühlstellung,
in welcher das Abgas vollständig
in die Einlasskammer und von dort in den Kühler einströmt, so positionierbar sein,
dass der Einlasskanal vollständig frei
ist. Der Einlasskanal ist daher vorteilhafterweise mittig zwischen
dem Kühlereinlass
und dem Kühlerauslass
angeordnet, wobei der Einlasskanal aus strömungstechnischen und konstruktiven
Gründen vorzugsweise
dem Kühlereinlass
und dem Kühlerauslass
gegenüberliegend
angeordnet ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand des in den 1 bis 5 dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer AGR-Anordnung;
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2 einen
Längsschnitt
durch die AGR-Anordnung der 1, wobei
sich der Ventilkörper
in der Mittelstellung befindet;
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3 einen
Längsschnitt
durch die AGR-Anordnung der 1, bei welcher
sich der Ventilkörper in
einer Kühlstellung
befindet;
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4 einen
Längsschnitt
durch eine AGR-Anordnung der 1, bei welcher
sich der Ventilkörper
in einer Bypassstellung befindet;
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5 eine
Seitenansicht der AGR-Anordnung zur Darstellung der Ein- und Ausgangsöffnungen
und
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6 ein
Diagramm, in welchem der Öffnungsquerschnitt
des Einslasskanals über
dem Hub des Ventilkörpers
(Kolbenhub) aufgetragen ist.
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In 1 ist
der grundsätzliche
Aufbau der erfindungsgemäßen AGR-Anordnung 1 zu
erkennen, bestehend aus einem Kühler 2 und
einem Ventilgehäuse 3 mit
einem Stellantrieb 4.
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Anhand
der 2 bis 4 wird die Funktionsweise dieser
AGR-Anordnung deutlich. Das Ventilgehäuse 3 ist zylindrisch
gestaltet bzw. weist einen zylindrisch gestalteten Innenraum 5 auf,
der sich in eine Einlasskammer 6 oberhalb und eine Auslasskammer 8 unterhalb
des kolbenförmigen
Ventilkörpers 7 gliedert. Über einen
schlitzförmigen
Einlasskanal 9, wie er in 1 bzw. 5 zu
erkennen ist, wird dem Innenraum 5 des Ventilgehäuses 3 in
mittlerer Höhe
Abgas zugeführt,
das je nach Stellung des Ventilkörpers 7 entweder
der Einlasskammer 6 oder der Auslasskammer 8 zugeführt wird.
Von der Einlasskammer 6 gelangt das Abgas durch einen Kühlereinlass 10 in
den Innenraum des Kühlers 2,
wird dort U-förmig
umgeleitet und einem Kühlerauslass 11 zugeführt, der
unterhalb des kolbenförmigen
Ventilkörpers 7 in
die Auslasskammer 8 mündet.
Die Auslasskammer 8 ist stirnseitig des zylindrischen Innenraums 5 mit
einem Auslasskanal 12 verbunden, über welchen das Abgas wieder
aus dem Ventilgehäuse 3 austreten
kann. Anhand der in den 3 und 4 eingezeichneten
Pfeile sind die grundsätzlichen
Strömungswege
des Abgases innerhalb der AGR-Anordnung erkennbar.
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In 3 befindet
sich der Ventilkörper 7 an seinem
in der Bildebene unteren Totpunkt und ist daher maximal ausgefahren.
In dieser Position kann Abgas über
den Einlasskanal 9 ausschließlich in die Einlasskammer 6 einströmen und wird
damit vollständig
dem Kühler 2 zugeleitet.
Der Ventilkörper 7 befindet
sich folglich in einer Kühlstellung.
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In 4 befindet
sich der Ventilkörper 7 in seinem
in der Bildebene oberen Totpunkt, so dass der Kühlereinlass 10 blockiert
ist und der Einlasskanal 9 in die Auslasskammer 8 mündet, so
dass das Abgas entsprechend der eingezeichneten Pfeile unmittelbar
dem Auslasskanal 12 zugeführt wird. Der Kühler 2 wird
bei dieser Stellung des Ventilkörpers 7 vollständig umgangen.
Grundsätzlich
sind auch Zwischenstellungen zwischen der Bypassposition und der
Kühlposition
in den 3 und 4 möglich. Der Ventilkörper 7 ist
so bemessen, dass seine Mantelfläche 13 die
Mündung
des Einlasskanals 9 vollständig bedeckt und mittels einer
oberen und unteren Dichtung 14, 15 jeweils gegenüber der
Einlasskammer 6 und der Auslasskammer 7 abdichtet
(2). Wird der Ventilkörper 7 nur geringfügig aus
dieser Mittelposition nach oben verlagert, wird ein Teilbereich
des Einlasskanals 9 freigegeben, so dass eine geringe Menge
Abgas der Auslasskammer 8 zugeführt werden kann. Auf diese
Weise kann nicht nur die Abgasrichtung, sondern auch die Abgasmenge
mit einem einzigen Ventilkörper 7 gesteuert
werden. Zudem ist nur ein einziger Stellantrieb 4 erforderlich,
welcher eine Kolbenstange 16 antreibt, die die Einlasskammer 6 durchsetzt.
Umgekehrt kann über
eine geringfügige
Auslenkung des Ventilkörpers 7 nach
unten eine dosierte Abgasmenge dem Kühler 2 zugeführt werden.
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Entscheidend
bei der erfindungsgemäßen Abgasrückführungsanordnung
ist, dass der Einlasskanal 9 quer zur Hubrichtung H im
mittleren Bereich zwischen dem Kühlereinlass 10 und
dem Kühlerauslass 11 angeordnet
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Einlasskanal 9 leicht zur Bewegungsachse des Ventilkörpers 7 geneigt.
Auf diese Weise lässt sich
die Abgasmenge besser dosieren.
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Eine
exemplarische Darstellung des Öffnungsquerschnitts
des Einlasskanals aufgetragen über
der Position des Ventilkörpers
(Kolbenhub) findet sich in 6.
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- 1
- Abgasrückführungsanordnung
- 2
- Kühler
- 3
- Ventilgehäuse
- 4
- Stellantrieb
- 5
- Innenraum
- 6
- Einlasskammer
- 7
- Ventilkörper
- 8
- Auslasskammer
- 9
- Einlasskanal
- 10
- Kühlereinlass
- 11
- Kühlerauslass
- 12
- Auslasskanal
- 13
- Mantelfläche
- 14
- Dichtung
- 15
- Dichtung
- 16
- Kolbenstange
- H
- Hubrichtung