DE2901703C2

DE2901703C2 - Ventil für ein Abgasrezirkulierungssystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2901703C2
Application number: DE2901703A
Authority: DE
Inventors: Tadahide Mishima Shizuoka Toda; Tatehito Susono Shizuoka Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1978-09-13
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1983-11-10
Also published as: US4237837A; JPS5540211A; DE2901703A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Ventil für ein Abgasrezirkulierungssystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches ist aus der DE-OS 27 03 587 bekannt. «

Die Rezirkulierung eines Teils der Abgase einer Brennkraftmaschine in deren Ansaugsystem verringert den Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe und anderer unerwünschter Bestandteile in den Abgasen. Diese Rezirkulierung sollte dabei in Abhängigkeit vom ^M Betriebszustand der Maschine gesteuert sein. Normalerweise werden im Leerlaufbetrieb keine Abgase rezirkuliert (DE-OS 22 25 852).

Eine Dieselmaschine wird immer mit einem Luftüberschuß bei der Verbrennung des Kraftstoffs betrieben. Es ist daher bei einer mit Abgasrezirkulierung betriebenen Dieselmaschine günstig, den rezirkulierten Abgasanteil je nach Luftüberschuß zu steuern. Da der Luftüberschuß mit steigender Belastung der Maschine abnimmt, wird ein Ventil benötigt, das so arbeitet, daß die rezirkulierte Abgasmenge, die der Ansaugleitung der Maschine zugeführt wird, abnimmt wenn die Ansaugluftmenge entsprechend der steigenden Maschinenbelastung zunimmt.

Wenn die Abgasrezirkulierung insbesondere bei Dieselmaschinen wirkungsvoll gesteuert werden soll, muß ein lineares Verhältnis zwischen dem Öffnungsgrad des Steuerventils, der der Maschinenbelastung entspricht und dem Rezirkulierungsverhältnis, d.h. dem Anteil des rezirkulierten Abgases an der der Maschine zugeführten Gesamtgasmenge, eingehalten werden.

Ventilanordnungen für in das Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine einmündende Leitungen sind weiterhin aus dem DE-GM 18 30 652, der DE-OS 19 36 598 und der DE-AS19 26 181 bekannt

Allen vorbekannten Ventilen ist gemeinsam, daß sie Ventilklappen enthalten, die auf die öffnung der einmündenden Leitung schwenkbar sind und wach oder Undefiniert kalottenhaft gestaltet sind. Es besteht kein linearer bzw. definierter Zusammenhang zwischen dem Schwenkwinkel und dem Öffnungsgrad des Ventils. Ein solcher wäre aber zur Vereinfachung der Steuerung einer Abgasrezirkulierung sehr erwünscht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe sich auf einfache Weise ein lineares Verhältnis zwischen dem Öffnungsgrad des Ventils und der Maschinenbelastung erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Me^rkrna!e des Patentanspruchs ! gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Demnach ist der Vorsprung auf der Ventilklappe derart gestaltet daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Rezirkulierungsverhältnis und dem Öffnungswinkel 6sr Ventilklappe und somit mit der Maschinenbelastung ergibt.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasrezirkulierungssystems mit den Merkmalen der Erfindung:

Fig.2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Ventils in dem Abgassystem nach F i g. 1:

Fig.2A einen Querschnitt längs der Linie 1I-I1 in

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Zusammenhänge zwischen dem Öffnungsgrad der Ventilklappe und dem effektiven Strömu.ngsqiKixschnitt:

Fig.4 eine graphische Darstellung der Zusammenhänge zwischen dem Öffnungsgrad der Ventilklappe und dem Rezirkulierungsverhältnis;

F i g. 5 zwei verschiedene Ausführungsarten für Reduzierkörper, und

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist von einer Dieselmaschine nur schematisch der Motorblock 10 mit einer Ansaugleitung 16 mit Verzweigungsleitung 12 und einer Abgasleitung 19 dargestellt. Die Ansaugleitung 16 ist mit ihrem stromaufwärts gelegenen Ende an ein hier nicht dargestelltes Luftfilter angeschlossen. Zwischen der Ansaugleitung 16 und der Ansaug-Verzweigungsleitung 12 ist das Abgas-Rezirkulierungsventil 18 nach der vorliegenden Erfindung angeordnet

Dieses Abgas-Rezirkulierungsventil 18. kurz EGR-Ventil 18 genannt, besteht aus einem Gehäuse 20. dessen eines Ende an die Ansaugleitung 16 und dessen anderes Ende an die Ansaug-Verzweigungsleitung 12 angeschlossen ist. Dieses Gehäuse 20 umschließt einen Strömungskanal 8. Das Gehäuse 20 ist mit der Abgasleitung 19 über eine Rezirkulierungsleitung 9 verbunden. Das EGR-Ventil 18 dient dazu, die Menge des in den Strömungskanal 8 über die Rezirkulierungsleitung 9 zurückgeführten Abgases einzustellen. Das EGR-Ventil 18 besteht im wesentlichen aus einer im Gehäuse 20 angeordneten Ventilklappe 24. Diese ist mit ihrem einen Ende an einer Welle 26 befestigt, die

drehbar im Gehäuse 20 stromaufwärts von der Mündung der Rezirkulierungsleitung 9 wandnah angeordnet ist Das Verhältnis der in den Strömungskanal 8 rezirkulierten Abgasmenge zur Gesamtmenge der der Dieselmaschine zugeführten Gase, d. h. das Rezirkulierungsverhältnis, kann durch Verschwenken der Ventilklappe 24 um die Achse der Wslle 26 eingestellt werden.

Wie die F i g. 2 und 2A zeigen, ist das Gehäuse 20 von etwa tubusförraiger Gestalt mit rechteckigem Querschnitt und weist die Ventilklappe 24 ebenfalls sine im wesentlichen rechteckige Gestalt auf. Das eine Ende der Ventilklappe 24 ist fest an der Welle 26 angebracht, die sich quer zur Strömungsrichtung der Ansaugluft im Strömungskanal 8 erstreckt Die Welle 26 ist drehbar in zwei gegenüberstehenden Seitenwänden des Gehäuses 20 so gelagert daß sie die innere Oberfläche der oberen Begrenzungswand des Gehäuses 20 berührt In diese Wand ist ein Ventilsitz 30 von ringförmiger Gestalt fest eingesetzt Ein Rohr 32 ist mit seinem einen Ende mit dem Ventilsitz 30 verbunden. Das andere Ende des Rohres 32 ist mit der Abgasleitung 19 verbunden (Fig. i). Der Ventilsitz 30 und das Rohr 32 bilden zusammen die Rezirkulierungsleitung 9 nach F. g. 1.

Wie F i g. 2 zeigt ist auf der Ventilldappe 24 auf der dem Ventilsitz 30 gegenüberstehenden Seite eine Gummiauflage 24' angebracht die der besseren Abdichtung dient, wenn die Ventilklappe auf dem Ventilsitz 30 aufsitzt

Das Abgasrezirkulierungssystem nach F i g. 1 ist weiterhin mit einer Einrichtung zum Beeinflussen der Menge des rezirkulierten Abgases in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung ausgerüstet. Diese besteht aus einem pneumatischen Steilantrieb 50 mit einer Membran 52, die über einen Stab 34 gelenkig mit dem einen Ende eines Hebels 36 verbunden ist, dessen anderes Ende drehfest an der Welle 26 angebracht ist, die aus dem Gehäuse 20 heraussteht. Die Membran 52 schließt eine Unterdruckkammer 38 ab, in welcher eine Feder 40 angeordnet ist, die die Membran 52 in eine Stellung drückt, in welcher die Ventilklappe 24 auf dem Ventilsitz 30 aufsitzt. Diese Unterdruckkammer 38 empfängt ein Unterdrucksignal von einer Unterdruckpumpe 42, die von der Kurbelwelle der Dieselmaschine angetrieben wird. Der Saugstutzen 42Λ dieser Unterdruckpumpe 42 ist über eine Leitung 43a mit einem Umschaltventil 44 und von dort über eine Leitung 436 mit der Unterdruckkammer 38 der pneumatischen Stellvorrichtung 50 verbunden. Der Umschalter 44 ist elektromagnetisch über einen elektrischen Schaltkreis 46 betätigbar, der über eine elektrische Leitung 47a von einem Sensor 48 in der Abgasleitung 19 Signale empfängt, die die Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsentieren. Da die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Dieselmaschine der Belastung der Maschine entspricht, gibt der Sensor 48 somit elektrische Signale ab, die einen Hinweis auf die Belastung der Maschine enthalten. Der Schaltkreis 46 entwickelt daraus ein elektrisches Signal, das über eint weitere elektrische Leitung 476 dem Umschaltventil 44 zugeführt wird, um dort die Unterdruckkammer 38 der pneumatischen Stellvorrichtung 50 entweder mit der UntsrdruQkpumpe 42 oder mit einer atmosphärischen Luftdruck zuführenden Druckquelle 49 zu verbinden, so daß der Unterdruckpegel in der Kammer 38 in Übereinstimmung mit der Belastung der Maschine gebracht wird. Das Abgasverhältnis wird von der Stellvorrithtuig 50 in Übereinstimmung mit der Belastung der MuscMne eingestellt, wie später noch beschrieben wird.

Wenn die Welle 26 die Ventilklappe im Uhrzeigersinn (in der Zeichnung gesehen) aufgrund einer Unterdruckkraft in der Kammer 38 verschwenkt, dann wird die Ventilklappe 24 vom Ventilsitz 30 abgehoben, wie Fig.2 zeigt Die Ansaugluft die in das Gehäuse 20 gemäß dem Pfeil A einströmt, fließt gemäß dem Pfeil A' an der Ventilklappe 24 vorbei. Das Abgas, das gemäß dem Pfeil B in der Rohrleitung 32 fließt strömt an der geöffneten Ventilklappe 24 gemäß dem Pfeil B' in das

ίο Gehäuse 20. Die Strömungen Λ'und B' mischen ,sich dort zu einer Strömung C die der Maschine zugeführt wird. Je mehr die Welle 26 der Ventilklappe 24 im Uhrzeigersinn verschwenkt ist um so größer wird der Abgasanteil, der in das Gehäuse 20 eingeführt wird, und um so geringer wird die Ansaugluftströmung, die gemäß dem Pfeil A' an der Ventilklappe 24 vorbeiströmen kann. Das Rezirkulierungsverhältnis ist daher abhängig vom Öffnungsgrad der Ventilklappe 24.

Der Anteil der Frischluft die gemäß dem Pfeil /Tan der Ventilklappe 24 vorbeiströmt läßt sich bis auf einen Minimalwert verringern, der von d«r freibleibenden Querschnittsfläche zwischen den Räiidern der Ventilklappe 24 und den Wänden des Gehäuses 20 abhängt Der Anteil des Abgases, das an der Ventilklappe 24 vorbeiströmt wie es der Pfeil B' zeigt entspricht einem Minimal- oder wirksamen Strömungsquerschnitt S' zwischen der Ventilklappe 24 und dem Ventilsitz 30. Das Rezirkulierungsverhältnis erhält man aus dem Verhältnis S' zu S + S' für jeden Öffnungswinkel θ der Ventilklappe.

Der wirksame Strömungsquerschnitt S verändert sich entsprechend dem Öffnungsgrad θ der Ventilklappe 24, wie es die Kurve I in F i g. 3 zeigt Aus dieser Kurve I geht hervor, daß der effektive Strömungsquerschnitt S

ungefähr umgekehrt proprotional zum Öffnungsgrad der Ventilklappe 24 ist.

Es sei nun angenommen, daß die Ventilklappe 24 der Öffnung am Ventilsitz 30 eine ebene Fläche anbietet. Wie durch den Abschnitt IIι in Fig.3 dargestellt ist, besteht zwischen dem wirksamen Strömungsquerschnitt S'und dem Öffnungswinkel Θ der Ventilklappe ein ν eitgehend proportionaler Zusammenhang, solange der Öffnungswinkel θ kleiner als ein bestimmter Wert »x« ist. Mit weiter steigendem Öffnungswinkel θ bleibt der wirksame Strömungsquerschnitt S' airf einem vorbestimmten konstanten Wert »y«, der dem minimalen Innendurchmesser der Rezirkulierungsleitung 9 entspricht. Es ergibt sich somit ein Verlauf für das Rezirkulierungsverhältnis, das in F i g. 4 durch die Kurve IV dargestellt ist und dem Verhältnis von Il zu 1 + Il entspricht. Dieser Kurvenverlauf folgt nicht der idealen geraden Linie VI, besonders nicht, wenn der öffnungswinkel θ klein ist. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, daß der Zuwachs des Strömungsquerschnitts S'des Abgases zu groß ist, wenn die Ventilklappe 24 aus ihrer völlig geschlossenen Stellung geöffnet wird. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Rezirkulierungsverhältnis und dem Öffnungswinkel Θ der Ventilklappe 24 macht es daher unmöglich, die Abgasrezirkulierui.g bei der Dieselmaschine in befriedigender Weise zu beeinflussen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch Maßnahmen getroffen, mit denen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Rezirkulierungsverhältnis und dem Öffnungswinkel der Ventilklappe 24 erzielt werden kann. Wie F i g. 2 zeigt, ist mit Hilfe einer Schraube 62 auf der dem Ventilsitz 30 zugekehrten Seite der Ventilklappe 24 auf dieser ein hut- oder pilzförmiger

Körper 60 von kreisförmigem, gegen den Ventilsitz 30 zu abnehmendem Querschnitt befestigt. In voll geschlossener Stellung der Ventilklappe 24 sitzt dieser Körper 60 im Zentrum des Ventilsitzes 30. Wenn die Ventilklappe 24 nur gering geöffnet ist, dann ragt dieser hutförmige Körper noch in den Ventilsitz 30 hinein und verringert auf diese Weise den wirksamen Strömungsquerschnitt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung strömt das rezirkulierte Abgas durch einen so reduzierten Querschnitt P. der zwischen dem Ventilsitz 30 und dem Reduzierköi'per 60 ausgebildet wird. Die Zunahme des Strömungsqi.ierschnitts für das Abgas beim öffnen der Ventilklappc: 24 aus der voll geschlossenen Stellung ist daher vergleichsweise gering, wie es die Kurve II) in ^|J F i g. 3 zeigt. Als Folge davon läßt sich der Verlauf des Rezirkulierungsverhältnisses über dem öffnungswinkel, im wesentlichen dem idealen linearen Verlauf anpassen, wie es die Kurve Vl in Fig. 4 zeigt. Aufgrund dieses erzielten linearen Zusammenhangs ist es für das pneumatische Stellglied 50 ohne Schwierigkeit möglich.

das Rezirkulierungsverhältnis in Übereinstimmung mit der Maschinenbelastung einzustellen, was eine merkliche Reduzierung der ΝΟ,-Schadstoffanteile in den Abgasen zur Folge hat.

Wie in Fig.5 durch (a) gezeigt ist, kann der Reduzierkörper 60 im Fußbereich 6OA konisch ausgeführt sein mit einer sich daran anschließenden Kugelkappe vom Radius R. Der Konuswinkel α ist so gewählt, daß der gewünschte Kurvenverlauf II3 nach Fig.3 resultiert. Wie in Fig.5 durch (b) gezeigt ist, kann der Reduzierkörper 60 auch eine mehr ellipsoide Form aufweisen.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 kann Jie Ventilklappe, hier mit 124 bezeichnet, mit dem Reduzierkörper zu einer integralen Einheit vereinigt sein, indem dieser beispielsweise durch Gießen oder Tiefziehen als Ausbauchung 160 mit einem sie umgebenden flachen Rand 124/4 ausgebildet wird. Eine ringförmige Dichtung 130' ist hierauf dem Ventilsitz 130 angebracht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ventil für ein Abgasrezirkulierungssystem einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem tubusförmigen Gehäuse, das einen Luftansaugkanal umschließt, dessen eine Seitenwand eine verschließbare Abgaseinlaßöffnung aufweist einer stromaufwärts von der Abgaseinlaßöffnung im Gehäuse drehbar gelagerten Ventilwelle und einer Ventilklappe, die an der Ventilwelle befestigt und zum vollständigen Verschluß der Abgaseinlaßöffnung gegen dieselbe schwenkbar ist und auf der dieser gegenüberliegenden Seite einen hutförmigen Vorsprang trägt, der bei entsprechender Verschwenkung der Ventilklappe in die Abgaseinlaßöffnung ragt, dadurch IS-gekennzeichnet, daß der Vorsprung (60,160) solche Gestalt und Abmessungen aufweist, daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Rezirkulierungsverhältnis, das ist die rezirkulierte Abgasmenge zur Gesamtmenge der der Brennkraftmaschine abgeführten Gase, und dem öffnungswinkel (θ) der Ventükiappe (24,124) ergibt

2. Ventil nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (124) und der Vorsprung (160) miteinander einstückig ausgebildet sind (F ig. 6).

3. Ventil nach einem de- Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (60, 160) eine Außenfläche aufweist die gegen die Abgaseinlaßöffnung hin konisch verläuft.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß dtr Vorsprung (60) im unteren Bereich kegelstumpfförmig (COA) ■·=·. und sich daran eine Kugelkappe (60 einschließt (Fig. 5a).

5. Ventil nach Anspruch 3.-^Jadurch gekennzeichnet daß der Vorsprung (60) knebelknopfartige Gestalt hat (F ig. 5b).