DE102017130673A1 - Control valve for an internal combustion engine and method for controlling a control valve - Google Patents
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Abstract
Regelventile für Verbrennungsmotoren mit einem Gehäuse (10), in dem ein Kanal (16) zwischen einem Einlass (12) und einem Auslass (14) ausgebildet ist, einem Ventilkörper (20), der an einer Ventilstange (22) befestigt ist und auf einen Ventilsitz (18) am Gehäuse (10), der einen Durchströmungsquerschnitt im Kanal (16) begrenzt, absenkbar und von dem Ventilsitz (18) abhebbar ist, einem Ventilführungsorgan (42), das in einer zentralen Öffnung (44) des Gehäuses (10) angeordnet ist und in dem die Ventilstange (22) geführt ist, einem Aktor (38) mittels dessen die Ventilstange (22) bewegbar ist, und einem Heizelement (54), sind ebenso bekannt wie Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit einem Heizelement.Um Ablagerungen im Regelventil zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Heizelement (54) ringförmig ausgebildet ist und in einer korrespondierenden ringförmigen Axialnut (52) am Gehäuse (10) angeordnet ist und das Ventilführungsorgan (42) umgibt. Des Weiteren sind diese Ablagerungen durch ein Verfahren vermeidbar, bei dem das Heizelement (54) in Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors bestromt wird, in denen eine Kondensatbildung erwartet wird.Control valves for internal combustion engines comprising a housing (10) in which a channel (16) between an inlet (12) and an outlet (14) is formed, a valve body (20) which is fixed to a valve rod (22) and on a Valve seat (18) on the housing (10), which limits a flow cross-section in the channel (16), lowered and can be lifted from the valve seat (18), a valve guide member (42) in a central opening (44) of the housing (10). is arranged and in which the valve rod (22) is guided, an actuator (38) by means of which the valve rod (22) is movable, and a heating element (54), are also known as methods for controlling a control valve with a Heizelement.Um deposits is to be avoided in the control valve, the invention proposes that the heating element (54) is annular and in a corresponding annular axial groove (52) on the housing (10) is arranged and the valve guide member (42) surrounds. Furthermore, these deposits can be avoided by a method in which the heating element (54) is energized in operating areas of the internal combustion engine in which condensation is expected.
Description
Die Erfindung betrifft ein Regelventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse, in dem ein Kanal zwischen einem Einlass und einem Auslass ausgebildet ist, einem Ventilkörper, der an einer Ventilstange befestigt ist und auf einen Ventilsitz am Gehäuse, der einen Durchströmungsquerschnitt im Kanal begrenzt, absenkbar und von dem Ventilsitz abhebbar ist, einem Ventilführungsorgan, das in einer zentralen Öffnung des Gehäuses angeordnet ist und in dem die Ventilstange geführt ist, einem Aktor mittels dessen die Ventilstange bewegbar ist, und einem Heizelement.The invention relates to a control valve for an internal combustion engine with a housing in which a channel is formed between an inlet and an outlet, a valve body which is fixed to a valve rod and on a valve seat on the housing, which defines a flow cross-section in the channel, lowered and can be lifted from the valve seat, a valve guide member which is arranged in a central opening of the housing and in which the valve rod is guided, an actuator by means of which the valve rod is movable, and a heating element.
Derartige Regelventile sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden beispielsweise als Abgasrückführ- oder auch Sekundärluftventile im Kraftfahrzeug verwendet. Üblicherweise werden diese Ventile mittels elektrischer Aktoren betätigt, deren Drehbewegung über ein Getriebe in eine translatorische Bewegung einer Ventilstange umgewandelt wird, auf der der mit dem Ventilsitz korrespondierende Ventilkörper angeordnet ist. Der Einbau insbesondere im Abgasbereich eines Kraftfahrzeugs führt dazu, dass ein derartiges Regelventil den unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt ist. Sowohl die im Abgas vorhandenen Schadstoffe, als auch die äußeren Umwelteinflüsse und Temperaturen wirken sich auf die Funktion eines solchen Ventils aus. So können beispielsweise Schmutz- oder auch Abgaspartikel zu einer Schwergängigkeit des Ventils bis hin zum Festsetzen des Ventils aufgrund von sich bildenden Ablagerungen oder Verklebungen führen. Bei extremen Wetterbedingungen, wie beispielsweise starkem Frost kann auch ein Festfrieren der Ventilstange in der Führung oder des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz insbesondere bei noch kaltem Verbrennungsmotor auftreten.Such control valves are well known from the prior art. They are used for example as exhaust gas recirculation or secondary air valves in the motor vehicle. Usually, these valves are actuated by means of electrical actuators whose rotational movement is converted by a gear in a translational movement of a valve rod on which the corresponding valve seat with the valve body is arranged. The installation, in particular in the exhaust gas region of a motor vehicle, means that such a control valve is exposed to a wide variety of loads. Both the pollutants present in the exhaust gas, as well as the external environmental influences and temperatures affect the function of such a valve. Thus, for example, dirt or even exhaust particles can lead to a stiffness of the valve up to the setting of the valve due to forming deposits or adhesions. In extreme weather conditions, such as heavy frost and a freezing of the valve rod in the guide or the valve body on the valve seat can occur especially in still cold engine.
Um diese Nachteile wirkungsvoll zu verhindern, ist es aus der
Des Weiteren ist aus der
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Montage dieser integrierten Heizelemente sehr schwierig ist, da sie über einen langen Weg mit der Führungsbuchse eingepresst werden müssen. Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass die an der Ventilstange vorhandenen Ablagerungen nur sehr schwer durch Erwärmung aufzulösen sind, so dass ein hoher Energiebedarf entsteht, ohne dass eine ausreichende Auflösung der Ablagerungen sichergestellt werden kann. Zusätzlich wird ein Blockieren durch Ablagerungen oder Eisbildung im Bereich des Ventilsitzes festgestellt.However, it has been found that the assembly of these integrated heating elements is very difficult, since they must be pressed over a long way with the guide bushing. Furthermore, it has been found that the deposits on the valve rod are very difficult to dissolve by heating, so that a high energy requirement arises without a sufficient dissolution of the deposits can be ensured. In addition, a blocking by deposits or ice formation in the region of the valve seat is detected.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Regelventil zu schaffen, bei dem über lange Zeit die Funktionsfähigkeit des Regelventils sichergestellt wird, indem möglichst die Bildung von Ablagerungen vermieden wird. Zusätzlich soll es möglich sein, weitestgehend im gesamten bewegbaren Ventilbereich Ablagerungen verhindern oder auflösen zu können. Der Aufbau und die Montage eines derartigen Regelventils soll möglichst einfach und kostengünstig sein.It is therefore an object of the invention to provide a control valve, in which over a long time the operability of the control valve is ensured by the possible avoidance of the formation of deposits. In addition, it should be possible as far as possible in the entire movable valve area to prevent deposits or dissolve. The construction and assembly of such a control valve should be as simple and inexpensive.
Diese Aufgabe wird durch ein Regelventil für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Regelung eines Regelventils mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.This object is achieved by a control valve for an internal combustion engine with the features of claim 1 and a method for controlling a control valve having the features of
Dadurch, dass das Heizelement ringförmig ausgebildet ist und in einer korrespondierenden ringförmigen Axialnut am Gehäuse angeordnet ist und das Ventilführungsorgan umgibt, wird die Wärme an das komplette Gehäuse und somit sowohl an die Ventilführung als auch in Richtung des Ventilsitzes abgegeben, wodurch Ablagerungen sowohl an der Ventilstange als auch am Ventilkörper verhindert werden können. Vor allem ist ein solches Heizelement einfach aktorseitig in das Gehäuse einlegbar und so mit geringem Aufwand kostengünstig und schadenfrei zu montieren.Characterized in that the heating element is annular and is arranged in a corresponding annular axial groove on the housing and surrounding the valve guide member, the heat is delivered to the complete housing and thus both the valve guide and in the direction of the valve seat, whereby deposits on both the valve rod as well as on the valve body can be prevented. Above all, such a heating element is simply insertable into the housing on the actuator side and thus can be installed inexpensively and without damage with little effort.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst, indem das Heizelement in Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors bestromt wird, in denen eine Kondensatbildung erwartet wird. Durch die Beheizung des gesamten durchströmten Gehäuses kann eine Kondensation an den Wänden und am Ventil selbst weitestgehend verhindert werden, welche der Hauptgrund für das Festbacken der Ablagerungen an den Wänden und am Ventil ist. Im auskondensierenden Wasser sind vielfach Schmutzstoffe enthalten, die durch nachfolgende Verdampfung des Wassers schwer lösbare Ablagerungen bilden, was durch das vorliegende Verfahren verhindert wird, da sich deutlich weniger Ablagerungen überhaupt bilden. Derartige Kondensatbildungen mit folgenden Ablagerungen sind sowohl in Betriebsbereichen des Motors zu erwarten, in denen sehr viel Wasserdampf im Abgas gelöst ist als auch in Bereichen, in denen die Abgastemperaturen nicht so hoch sind, wie beispielsweise in niedrigen Lastzuständen. Vor allem bei großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Gehäuse und dem wasserhaltigen Abgas, wie in der Warmlaufphase, tritt normalerweise eine Kondensation des Wassers an den Wandflächen beziehungsweise am Ventil auf. Durch die Erwärmung des Gehäuses und des Ventils wird diese Kondensation verhindert, so dass das Wasser als Wasserdampf dem Verbrennungsmotor wieder zugeführt wird. Ablagerungen werden so zuverlässig verhindert.With respect to the method, the object is achieved by the heating element is energized in operating areas of the internal combustion engine, in which a condensate formation is expected. By heating the entire flow-through housing condensation on the walls and the valve itself can be largely prevented, which is the main reason for the caking of the deposits on the walls and the valve. Contaminant water often contains pollutants which form deposits that are difficult to detach by subsequent evaporation of the water, which is prevented by the present process, since significantly fewer deposits form at all. Such condensate formations with subsequent deposits are to be expected both in operating ranges of the engine, in which a great deal of water vapor is dissolved in the exhaust gas and in areas where the exhaust gas temperatures are not so high, such as in low load conditions. Especially in the case of large temperature differences between the housing and the water-containing exhaust gas, as in the warm-up phase, condensation of the water normally occurs on the wall surfaces or on the valve. By heating the housing and the valve, this condensation is prevented, so that the water is supplied as steam to the engine again. Deposits are reliably prevented.
Eine besonders einfache Montage des Heizelementes ergibt sich, wenn eine Rückstellfeder axial gegen das Heizelement vorgespannt anliegt, wodurch das Heizelement in der Nut gehalten wird. Somit kann auf zusätzliche Befestigungsmittel verzichtet werden, wodurch auch die Herstellkosten gesenkt werden.A particularly simple installation of the heating element results when a return spring is biased axially against the heating element, whereby the heating element is held in the groove. Thus, can be dispensed with additional fastening means, whereby the production costs are reduced.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist das Heizelement in der Axialnut eingepresst. Dies ermöglicht einen festen Sitz des Heizelementes auch ohne die Anlage der Feder. Ein Lösen wird so zuverlässig verhindert. Des Weiteren wird durch die enge Toleranz eine ganzflächige Anlage des Heizelementes zum Gehäuse hergestellt, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird.Alternatively or additionally, the heating element is pressed into the axial groove. This allows a tight fit of the heating element without the installation of the spring. A release is so reliably prevented. Furthermore, due to the close tolerance, an entire surface of the heating element is produced to the housing, whereby the heat transfer is improved.
Vorzugsweise ist ein erster Gehäuseabschnitt, in dem das Heizelement angeordnet ist, einstückig mit einem zweiten Gehäuseabschnitt ausgebildet, in dem der Ventilsitz ausgebildet ist. So wird ein guter Wärmeübergang zum Ventilsitz und zum Führungskörper sichergestellt, und somit die Abschnitte erreicht, in denen Ablagerungen zu einer Fehlfunktion des Regelventils führen könnten.Preferably, a first housing portion, in which the heating element is arranged integrally formed with a second housing portion, in which the valve seat is formed. Thus, a good heat transfer to the valve seat and the guide body is ensured, and thus reaches the sections where deposits could lead to a malfunction of the control valve.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Heizelement und der Ventilsitz konzentrisch zur Ventilstange angeordnet und weisen einen derartigen Durchmesser auf, dass in Axialrichtung betrachtet zumindest teilweise eine Überdeckung des Ventilsitzes und des Heizelementes vorliegt. Entsprechend wird ein minimaler Abstand zwischen dem Ventilsitz und dem Heizelement erreicht, wodurch mehr Wärme zum Ventilsitz gelangen kann.In an advantageous embodiment, the heating element and the valve seat are arranged concentrically to the valve rod and have a diameter such that viewed in the axial direction at least partially overlapping the valve seat and the heating element is present. Accordingly, a minimum distance between the valve seat and the heating element is achieved, whereby more heat can reach the valve seat.
Vorzugsweise ist das Heizelement ein PTC-Heizelement, welches kostengünstig herstellbar ist und wenig Bauraum benötigt.Preferably, the heating element is a PTC heating element, which is inexpensive to produce and requires little space.
In einer weiterführenden Ausführung ist das Heizelement beabstandet zum Ventilführungsorgan angeordnet. Dies vereinfacht die Montage durch den vom Führungsorgan unabhängigen Einbau.In a further embodiment, the heating element is arranged at a distance from the valve guide member. This simplifies the assembly by independent from the management body installation.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Heizelement über Stromleitungen, die durch das Gehäuse nach außen geführt sind, mit einem Stecker verbunden, der mit dem Motorsteuergerät verbunden ist. So müssen keine Stromleitungen weiter durch das Gehäuse geführt werden, sondern das Heizelement kann direkt mit dem Stecker gemeinsam montiert werden und entsprechend der Werte der Motorsteuerung angesteuert werden.In an advantageous embodiment of the invention, the heating element is connected via power lines, which are guided through the housing to the outside, with a plug which is connected to the engine control unit. So no power lines must be passed through the housing, but the heating element can be mounted directly to the plug together and controlled according to the values of the motor control.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn im Kanal ein Feuchtigkeitsensor angeordnet ist. In Abhängigkeit der Werte des Feuchtigkeitsensors kann dann eine Erwärmung des Heizelementes durchgeführt werden, wodurch eine Kondensation zuverlässig vermieden werden kann.Furthermore, it is advantageous if a moisture sensor is arranged in the channel. Depending on the values of the humidity sensor, a heating of the heating element can then be carried out, as a result of which condensation can be reliably avoided.
Auch eine Anordnung eines Temperatursensors im Kanal oder am Gehäuse verbessert zusätzlich die Steuerung, um eine Kondensation zu verhindern, indem diese durch Erwärmung des Heizelementes vermieden wird.An arrangement of a temperature sensor in the channel or on the housing additionally improves the control in order to prevent condensation by avoiding this by heating the heating element.
In einer Weiterführung des Verfahrens wird auf eine Kondensatbildung in Abhängigkeit von Motorkennfelddaten geschlossen. Diese werden in der Motorsteuerung hinterlegt, so dass bei Betriebsbedingungen, in denen eine Kondensation erwartet wird, durch ein Heizen des Heizelementes reagiert werden kann, so dass ein Energieverbrauch nur erfolgt, wenn tatsächlich eine Erwärmung notwendig ist.In a continuation of the method is closed on a condensate formation in dependence on engine map data. These are stored in the engine control, so that in operating conditions in which condensation is expected, can be responded by heating the heating element, so that energy consumption occurs only when actually heating is necessary.
Alternativ oder zusätzlich wird auf eine Kondensatbildung in Abhängigkeit der Messwerte des Temperatursensors und/oder des Feuchtigkeitsensors geschlossen und somit das Heizelement beheizt, um feste Ablagerungen aufgrund der Kondensatbildung zuverlässig reduzieren zu können.Alternatively or additionally, condensate formation is concluded as a function of the measured values of the temperature sensor and / or the moisture sensor, and thus the heating element is heated in order to be able to reliably reduce solid deposits due to condensate formation.
Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn das Heizelement bei Außentemperaturen kleiner 0°C vor dem Motorstart bestromt wird, um gegebenenfalls vorhandene Eisbildung aufheben zu können und so die Funktionsfähigkeit des Regelventils bereits beim Motorstart sicherstellen zu können. Dies kann beispielsweise unmittelbar beim Öffnen des Fahrzeugs beziehungsweise beim Betätigen der Zentralverriegelung erfolgen.A further improvement is achieved if the heating element is energized at outside temperatures less than 0 ° C before the engine start, in order to cancel any existing ice formation and so to ensure the functionality of the control valve already at engine start. This can for example be done immediately when opening the vehicle or when pressing the central locking.
Ein derartiges Regelventil bietet den Vorteil einer möglichen Erwärmung der gesamten Wandflächen und insbesondere der Flächen, an denen eine Relativbewegung der Bauteile zueinander stattfindet. Dies wird erfindungsgemäß dazu genutzt, eine Kondensation im Regelventil zu vermeiden, denn es hat sich gezeigt, dass insbesondere feste Ablagerungen, die die Funktionsfähigkeit des Regelventils einschränken, durch im Wasser gelöste Verunreinigungen entstehen, die bei Verdunstung des Wassers die festen Ablagerungen bilden. Durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Regelventils sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln des Ventils wird so die Funktionsfähigkeit und Beweglichkeit des Ventils über eine lange Lebensdauer sichergestellt. Zusätzlich wird der Energieverbrauch reduziert, da nur in den Phasen bestromt wird, in denen die Bildung derartiger Ablagerungen zu erwarten ist. Durch das Verhindern der Kondensation im Ventil wird die Lebensdauer und Regelbarkeit des Regelventils so zuverlässig verbessert, da Ablagerungen reduziert werden.Such a control valve has the advantage of a possible heating of the entire wall surfaces and in particular the surfaces on which a relative movement of the components takes place to each other. This is used according to the invention to avoid condensation in the control valve, because it has been shown that in particular solid deposits that limit the functioning of the control valve, caused by dissolved in the water impurities that evaporate when the water forming the solid deposits. The construction of the control valve according to the invention and the method according to the invention for regulating the valve thus ensure the functionality and mobility of the valve over a long service life. In addition, the energy consumption is reduced because it is energized only in the phases in which the formation of such deposits is to be expected. By preventing condensation in the valve, the life and controllability of the control valve is so reliably improved as deposits are reduced.
Das erfindungsgemäße Regelventil für einen Verbrennungsmotor wird ebenso wie das zugehörige Verfahren zum Regeln dieses Ventils anhand eines in
Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Regelventils in teilweise geschnittener Darstellung.The figure shows a side view of a control valve according to the invention in a partially sectioned illustration.
Das in den Figuren dargestellte Regelventil, welches insbesondere als Abgasrückführventil in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann, besteht aus einem Gehäuse
Ein Durchströmungsquerschnitt des Gehäuses
Die Ventilstange
Der Exzenter
Im Getrieberaum
Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird das Heizelement
Zusätzlich oder alternativ können auch die Messwerte eines Temperatursensors
Als weitere Alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Verbesserung der Regelung kann auch im Kanal
Ein derartig ausgestaltetes Regelventil weist deutlich weniger Ablagerungen auf, da feste Rückstände, die durch das im Abgas vorhandene Wasser entstehen und sich an den Wandflächen und beweglichen Teilen des Ventils absetzen, zuverlässig verringert werden. Ein Freibrennen der Ventilstange oder des Ventilsitzes ist somit häufig nicht mehr erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren führt dazu, dass eine Erwärmung nur dann stattfindet, wenn eine Bildung von Ablagerungen aufgrund der Kondensation zu befürchten ist. Sowohl in Phasen, in denen viel Wasserdampf im Abgas vorhanden ist als auch bei niedrigen Abgastemperaturen oder bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen den Wandflächen und dem Abgas besteht die Möglichkeit erhöhter Kondensation, welche durch die Erwärmung des gesamten Regelventils mittels des Heizelementes weitestgehend vermieden wird. So kann in der Warmlaufphase, vor dem Start oder in niedrigen Lastbereichen die Beheizung eingeschaltet werden, ohne das Regelventil ständig beheizen zu müssen, so dass auch der Energieverbrauch reduziert wird, indem die Bildung von Ablagerungen, nicht wie in bekannten Verfahren aufgelöst, sondern die Entstehung verhindert wird.Such a designed control valve has significantly fewer deposits, as solid residues that arise due to the water present in the exhaust gas and settle on the wall surfaces and moving parts of the valve, are reliably reduced. A burn off the valve rod or the valve seat is thus often no longer necessary. The method according to the invention results in that heating takes place only when formation of deposits due to condensation is to be feared. Both in phases in which much water vapor is present in the exhaust gas and at low exhaust gas temperatures or at high temperature differences between the wall surfaces and the exhaust gas there is the possibility of increased condensation, which is largely avoided by the heating of the entire control valve by means of the heating element. Thus, in the warm-up phase, before starting or in low load ranges, the heating can be switched on without having to heat the control valve constantly, so that the energy consumption is reduced by the formation of deposits, not dissolved as in known methods, but the emergence is prevented.
Es sollte deutlich sein, dass auch andere konstruktive Ausgestaltungen des Regelventils beziehungsweise Anordnungen des Heizelementes gegebenenfalls geeignet sind das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.It should be clear that other constructive embodiments of the control valve or arrangements of the heating element are optionally suitable to carry out the inventive method.
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