Selbstreinigende Ventile in Zuluft- oder Abgassystem an Verbrennungskraftmaschinen
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstreinigendes Ventil, insbesondere bei einer Ver- brermungskraftmaschine. Ventile dienen beispielsweise der Mischung von Gasströmen in dem Abgasrückfuhrungssystem moderner Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren. Dabei wird zum Beispiel verbranntes Abgas einem Frischluftstrom zugemischt zur Senkung der Verbrennungsspitzentemperatur. Die Abgasrückführung mindert die temperaturabhängigen NOx-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine wirkungsvoll. Das Abgasrückfiihrungs- System enthält ein Abgasrückführventil, daß die --urückzuführende Abgasmenge steuert.
Stand der Technik
DE 198 25 656 AI bezieht sich auf ein Abgasriickführventil für Brerinkraftmaschinen, das einen Ventildurchlaß mit Ventilsitzfläche und ein Ventilglied mit einer der Ventilsitzfläche zugeordneten und zugewandten Ringfläche aufweist. Die Ringfläche des Ventilgliedes ist an einem axial überstehenden Ringbund auf der Oberseite des Ventilgliedes ausgebildet, während die Ventilsitzfläche des Gehäuseteils auf deren unteren Seite vorgesehen ist. Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Abgasrückführventil so auszubilden, daß eine ein- wandfreie Öffhungs- bzw. ScMießfunktion zwischen dem Ventilglied und dem Ventilsitz gewährleistet wird. Dazu wird die Verschmutzung der Dichtfunktionselemente durch konstruktive Gestaltung der Dichtfunktionselemente vermieden. Es handelt sich dabei um passive Maßnahmen, keine aktive Selbstreinigung des Abgasrückführventils.
EP 0 856 657 A2 offenbart ein Abgasrückführventil für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse, das einen Abgaskanal mit einem Ventilsitz enthält, der von einem Ventilglied beherrscht wird und dessen Betätigungsglied im Gehäuse verschiebbar geführt ist und von einer Versteileinrichtung betätigt wird. Die Versteileinrichtung weist einen rotatorisch
arbeitenden Antrieb und eine dem Antrieb nachgeschaltete getriebliche Umformeinrichtung auf, mittels der die Drehantriebsbewegung des Antriebes in eine Translationsbewegung des Betätigungsgliedes mit Ventilglied umformbar ist. Das Ventilglied führt demnach nur eine translatorische und keine rotatorische Bewegung aus.
DE 196 03 592 Cl betrifft eine Ventilsteuerung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Abgasrückführventil, mit einem elektrisch ansteuerbaren Drehmagneten, mit einer Stellgliedanordnung, die von einem Drehmagneten antreibbar ist und die mit einem an einer Ventilstange führbaren Ventilteller verbindbar ist. Zwangsweise ist mit einer Hubein- richtung der Stellgliedanordnung eine durch den Drehmagneten ansteuerbare Drehbewegung in eine Hubbewegung des Ventiltellers umsetzbar. Die Axialführung ist als Längsrillenlager ausgebildet, das eine Verdrehsicherung bildet. Eine Drehbewegung des Ventiltellers wird bei dieser Erfindung unterbunden.
Aus EP 0 740 066 AI ist ein Abgasrückführventil bekannt, das eine Spulenvorrichtung und ein Kugellager aufweist. Das Kugellager lagert ein Führelement, das als Reaktion auf eine elektrische Betätigung der Spulenvorrichtung gemeinsam mit einem Betätigungsglied des Ventils eine Translationsbewegung ausführt, wodurch sich das Ventil öffnet. Eine Rotationsbewegung wird nicht offenbart.
Bei Abgasriickführventilen an Verbrennungsmotoren kann es in bestimmten Betriebszu- ständen oder bei falsch abgestimmter Verbrennung zu Verunreinigungen an den Ventilfunktionselementen kommen. In Verbindung mit Öl aus der Kurbelgehäuseentlüftung und oder Rußpartikeln kann es zu Verklebungen an den Dichtfunktionselementen kommen, woraus die Schwergängigkeit oder sogar der Ausfall der Komponente resultiert. Ferner haben lokale Ablösungen der Verunreinigungen an den Ventilfunktionselementen Undichtigkeiten bei geschlossenem Ventil zur Folge.
Darstellung der Erfindung
Verunreinigungen von Ventilen können durch einen Selbstreinigungsmechanismus der Ventile verhindert werden. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt eine solche Selbstreinigung in einem Ventil in einer Verbrennungskraftmaschine, das einen Ventilteller und einen Ventilsitz in einem Gehäuse enthält, indem einer Hubbewegung des Ventiltellers, eine Drehbewegung des Ventiltellers relativ zu dem Ventilsitz überlagert wird. Wenn lediglich eine Hubbewegung ausgeführt wird, so resultieren daraus Normalspannungen, die nicht zu einer gleichmäßigen Belastung auf die angelagerten Verschmutzungen zwischen Ventilteller und Ventilsitz fuhren. Vielmehr kann es durch die Normalspannungen zu lokalen
Ablösungen der Verschmutzungen und dadurch zu lokalen Undichtigkeiten bei geschlossenem Ventil kommen. Durch die überlagerte Drehbewegung werden an der Kontaktfläche zwischen Ventilteller und Ventilsitz gleichmäßig verteilt Schubspannungen aufgebaut, durch die Verunreinigungen oder Verschmutzungen --wischen Ventilteller und Ventilsitz gleichmäßig abgetragen werden. Es erfolgt demnach eine Selbstreinigung des Ventils.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist demnach, daß durch diesen Selbstreinigungsmechanismus die im zu steuerenden strömenden Medium mitgeführten Verunreinigungen oder Verschmutzungen, die sich an einem Ventil ohne Reinigungsmechanismus zwischen den Funktionselementen Ventilteller und Ventilsitz anlagern und so zur Funktionsunfahig- keit der Komponente führen können, entfernt werden.
Vorteilhaft ist auch, daß das erfmdungsgemäße Ventil bei jedem Öffnen und Schließen den Selbstreinigungsmechanismus aktiviert.
Bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung verläuft die Drehbewegung des Ventiltellers relativ zu dem Ventilsitz nichtlinear zu der Hubbewegung. Vorteilhaft kann eine nichtlinear gestaltete Kopplung der Dreh- mit der Hubbewegung beispielsweise derart sein, daß zu Beginn der Öffnungsbewegung des Ventils nur ein geringer Hub und am Ende ein großer Hub realisiert wird. Dadurch können auch kleine Mengen eines strömenden Mediums mit Hilfe des Ventils dosiert werden.
Das erfmdungsgemäße Ventil kann so ausgebildet sein, daß es durch einen mit dem Gehäuse fest verbundenen, rotatorisch arbeitenden Antrieb betätitgt wird. Rotatorisch arbei- tend heißt in diesem Zusammenhang, daß der Antrieb ein Drehmoment aufbringt, das über eine Welle auf das Ventil übertragen werden kann.
An der Welle des rotatorisch arbeitenden Antriebs greift in einer Ausgestaltungsform der Erfindung eine Rückdrehfeder an, die das Ventil schließt, falls der Antrieb defekt ist. Bei der Öffnung des Ventils wird die Drehfeder gespannt, so daß sie das Ventil bei einer Funktionsstörung des Antriebs schließt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung formt eine Umformeinrichtung eine Bewegung des rotatorisch arbeitenden Antriebs in die überlagerte Hub- und Drehbewegung um. Die Umformeinrichtung kann dabei ein Drehbewegungsübertragungsglied und ein Bewe- gungsumsetzungsglied enthalten. Das Drehbewegungsübertragungsglied dient der Übertragung der Drehbewegung des Antriebs auf das Bewegungsumsetzungsglied. Das Bewe- gungsumsetzungsglied setzt die durch das Drehbewegungsübertragungsglied übertragene
Drehbewegung in die erf-ndungsgemäß von einer Drehbewegung überlagerte Hubbewegung um. Mit dem Bewegungsumsetzungsglied kann eine Hubwelle fest verbunden sein. Am Ende der Hubwelle ist drehstarr der Ventilteller befestigt. Über die Hubwelle wird die durch das Bewegungsumsetzungsglied ausgeführte überlagerte Dreh- und Hubbewegung auf den Ventilteller übertragen. Die Ventilteller-Hubwellenverbindung muß dem entsprechend Kräfte sowohl in radialer als auch in axialer Richtung aufnehmen können, ohne sich zu lösen. Durch die von der Hubwelle ausgeführte überlagerte Dreh- und Hubbewegung hebt beim Öffnungsvorgang der Ventilteller von dem Ventilsitz ab und gibt einen Öffnungsquerschnitt frei. Je größer der Drehwinkel des rotatorisch arbeitenden Antriebs ist, umso größer ist der Öf-hungsquerschnitt und ebenso der Durchfluß des strömenden Mediums durch das Ventil. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Drehbewegungsübertragungsglied formschlüssig und in axialer Richtung verschiebbar in eine Öffnung des Bewegungsumsetzungsgliedes eingreift. Führt das Bewegungsumsetzungsglied eine Hubbewegung (überlagert von einer Drehbewegung) aus, so verschiebt sich das Drehbewegungsübertragungsglied in der Öffnung in axialer Richtung, wobei es aber relativ zu dem Gehäuse ortsfest bleibt. Die Öffnung muß eine angemessene Tiefe aufweisen, so daß sich das Drehbewegungsübertragungsglied auch bei maximaler Öffnung des Ventils (maximaler Hub) nicht vollständig aus der Öffnung hinausbewegt. Es kann auch zweckmäßig sein, daß das Drehbewegungsübertragungsglied und das Bewegungsumsetzungsglied fest verbunden sind und daß das Drehbewegungsübertragungsglied in eine im rotatorisch arbeitenden Antrieb befindliche Öffnung formschlüssig eingreift.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umsetzung der Bewegung des rotatorisch arbeitenden Antriebs in die überlagerte Hub- und Drehbewegung des Ventiltellers mit Hilfe von ineinandergreifenden Gewinden an dem Bewegungsumsetzungsglied und dem Gehäuse erfolgt. Das Gehäuse nimmt zwischen den Gewindegängen die Reaktionskraft der resultierenden Hub- und Drehbewegung auf.
Es kann auch zweckmäßig sein, daß die Umsetzung der Bewegung und des rotatorisch arbeitenden Antriebs in die überlagerte Hub- und Drehbewegung des Ventiltellers mit Hilfe mindestens eines, bevorzugt mindestens zweier, Übertragungskörper erfolgt. Dabei wird die Reaktionskraft nicht zwischen Gewindegängen direkt, sondern über die Übertragungskörper aufgenommen. Die Übertragungskörper können rollend oder gleitend ausgebildet sein. Beispiele rollender Übertragungskörper sind Kugeln oder Zylinder. Beispiele gleitender Übertragungskörper sind Quader oder trapezförmige Gleitelemente.
Vorteilhaft können sich die Übertragungskörper ortsfest am Bewegungsumsetzungsglied befinden und sich in einer schraubenförmig ausgebildeten Nut in dem Gehäuse bewegen. Es kann aber auch zweckmäßig sein, daß sich die Übertragungskörper ortsfest in dem Gehäuse befinden und sich in einer schraubenförmig ausgebildeten Nut am Bewegungsumset- zungsglied bewegen können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nut keine konstante, sondern eine veränderliche Steigung aufweist. Dadurch wird, wie vorhergehend beschrieben, eine nichtlineare Kopplung der Hub- mit der Drehbewegung des Ven- tiltellers relativ zum Ventilsitz erreicht. Es ist beispielsweise möglich, zu Beginn der Öffnungsbewegung nur einen geringen Hub (flache Steigung) und am Ende einen großen Hub (große Steigung) zu realisieren. Dabei ergeben sich die Vorteile, daß einerseits mit einer derart gestalteten Nut der Selbstreinigungseffekt weiter verstärkt wird und andererseits die Kleinmengendosierbarkeit der naturgemäß mit einer degressiven Durchsatzkennlinie be- hafteten Hubventile verbessert wird.
Das erfindungsgemäße Ventil kann sowohl zur Steuerung des Durchflusses eines strömenden Mediums, als auch zur Steuerung der Mischung mehrerer strömender Medien verwendet werden. Des weiteren kann es in Stromrichtung eines zu dosierenden strömenden Me- diums öffnend oder gegen die Stromrichtung eines strömenden Mediums öffnend Anwendung finden.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines Ventils in einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Ventil einen Ventilteller und einen Ventilsitz in einem Gehäuse enthält und einer Hubbewegung des Ventiltellers eine Drehbewegung des Ventiltellers relativ zu dem Ventilsitz überlagert wird. Das Ventil dient der Steuerung des Zu- oder Ab- fließens mindestens eines strömenden Mediums. Das Ventil kann insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine zum Steuern der Zuluft oder der Abluft verwendet werden. Mögliche strömende Medien sind Abgas, Luft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch. Beispiels- weise kann eine Verwendung des Ventils als Abgasrückführventil erfolgen.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläuert.
Es zeigt:
Figur 1 Den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrückführventils mit Öffnung gegen den Abgasstrom und ohne Frischluftdurchsatz, Figur 2 den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrückführventils mit Öffnung mit dem Abgasstrom und ohne Frischluftdurchsatz,
Figur 3 den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasiückführventils mit Öffnung mit dem Abgasstrom und mit Frischluftdurchsatz und
Figur 4 den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrückführventils mit Öffnung gegen den Abgasstrom und mit Frischluftdurchsatz.
Ausführungsvarianten
Figur 1 zeigt den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrückführventils mit Öffnung gegen den Abgasstrom und ohne Frischluftdurchsatz. Das Ventil ist in geöffneter Stellung (rechte Hälfte) und in geschlossener Stellung (linke Hälfte) dargestellt. Auf dem Gehäuse 10 sitzt der rotatorisch arbeitende Antrieb 8. Die Welle des Antriebs 8 ist mit dem Drehbewegungsübertragungsglied 6 fest verbunden. In diesem Beispiel dient ein auf der Welle des Antriebs 8 befindlicher Vierkant als Drehbewegungsübertragungsglied 6. Dieses Drehbewegungsübertragungsglied greift formschlüssig in die entsprechend gestaltete Öffnung 11 des Bewegungsumsetzungsgliedes 5 ein. Bei- einer Drehung des rotatorisch arbeitenden Antriebs 8 wird die Drehbewegung der Welle des Antriebs über das Drehbewegungsübertragungsglied 6 auf das Bewegungsumsetzungsglied 5 übertragen. Dreht sich das Bewe- gungsumsetzungsghed 5, so wird es durch das Gewinde 12 an dem Bewegungsumsetzungsglied 5 und in dem Gehäuse 10 geführt, so daß es eine überlagerte Dreh- und Hubbewegung (13 und 14) ausführt. Die in einer Hubwellenlagerung 4 gelagerte Hubwelle 3 überträgt diese überlagerte Dreh- und Hubbewegung (13 und 14) auf den Ventilteller 1, der sich dadurch drehend von dem Ventilsitz 2 abhebt (Öffnung des Ventils 15) oder drehend auf den Ventilsitz 2 zubewegt (Schließen des Ventils 15). Bei einer überlagerten Dreh- und Hubbewegung (13 und 14) des Bewegungsumsetzungsgliedes 5 verschiebt sich die Öffnung 11 , in der sich das Drehbewegungsübertragungsglied 6 formschlüssig befindet, relativ zu dem Drehbewegungsübertragungsglied 6 in vertikaler Richtung, so daß die Öffnung 11
beim Öffnen des Ventils 15 größer und beim Schließen kleiner wird. Das Drehbewegungsübertragungsglied bleibt dabei ortsfest relativ zu dem Gehäuse 10. Durch die Rotationsbewegung des Ventiltellers 1 relativ zu dem Ventilsitz bei jedem Öffnen und Schließen des Ventils 15 werden an der Kontaktfläche zwischen Ventilteller 1 und Ventilsitz 2 gleichmä- ßig verteilt Schubspannungen aufgebaut. Diese Schubspannungen bewirken, daß Verunreinigungen oder Verschmutzungen zwischen Ventilteller 1 und Ventilsitz 2 gleichmäßig abgetragen werden. Je größer der Drehwinkel des rotatorisch arbeitenden Antriebs 8 ist, umso größer ist der Öffhungsquerschnitt und damit der Durchsatz an Gas, das durch das Ventil 15 strömt. Bei der Öffnung des Ventils 15 wird eine an der Welle des Drehantriebs angrei- fende Rückdrehfeder 7 gespannt. Die Rückdrehfeder 7 ist so ausgelegt und vorgespannt, daß das Ventil 15 bei funktionsunfähigem Antrieb 8 durch die Drehfeder 7 geschlossen wird. In diesem Beispiel bewegt sich der Ventilteller 1 beim Öffnen des Ventils 15 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases 9. In dieser Ausführungsform steuert das Ventil 15 nur einen Gasstrom, wie beispielsweise das Abgas 9.
Figur 2 zeigt den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrückführventils mit Öffnung mit dem Abgasstrom und ohne Frischluftdurchsatz. Der Aufbau des Ventils 15 entspricht im wesentlichen dem in Figur 1. Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 2 ein Ventil 15, bei dem sich der Ventilteller 1 relativ zum Ventilsitz 2 mit der Strömungsrichtung des Abgases 9 öffnet. Auch in dieser Ausführungsform steuert das Ventil 15 nur einen Gasstrom.
Figur 3 zeigt den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrückführventils mit Öffnung mit dem Abgasstrom und mit Frischluftdurchsatz. Der Aufbau des Ventils 15 entspricht im wesentlichen dem in Figur 1. Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 3 ein Ventil 15, bei dem sich (wie in Figur 2) der Ventilteller 1 relativ zum Ventilsitz 2 mit der Strömungsrichtung des Abgases 9 öffnet. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß das Ventil 15 mit Frischluft 16 durchströmt wird und sich bei geöffnetem Ventil 15 eine gemischte Strömung aus Abgas und Frischluft 17 ergibt, also eine Beimischung eines strömenden Mediums zu einem anderen. Diese Variante des erfindungsgemäßen Ventils könnte bei- spielsweise als Abgasrückführventil eingesetzt werden, bei dem Abgas einem Frischluftstrom zugemischt wird.
Figur 4 zeigt den Aufbau eines selbstreinigenden Abgasrücldührventils mit Öffnung gegen den Abgasstrom und mit Frischluftdurchsatz. Der Aufbau des Ventils entspricht im we- sentlichen dem in Figur 1. Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 4 ein Ventil 15 bei dem das Ventil 15 (wie in Figur 3) mit Frischluft 16 durchströmt wird und bei dem sich bei geöffnetem Ventil 15 eine gemischte Strömung aus Abgas und Frischluft 17 ergibt. Bei die-
ser Ausf hrungsform öffnet sich der Ventilteller 1 relativ zum Ventilsitz 2 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases 9.
Bezugszeichenliste
1 Ventilteller
2 Ventilsitz
3 Hubwelle
4 Hubwellenlagerung
5 B ewegungsumsetzungsglied
6 Drehbewegungsübertragungsglied
7 Rückdrehfeder
8 Antrieb
9 Abgas
10 Gehäuse
11 Öffnung
12 Gewinde
13 Drehbewegung
14 Hubbewegung
15 Ventil
16 Frischluft
17 Strömung aus Abgas und Frischluft