DE69527415T2

DE69527415T2 - Soleonidaktiviertes abgasrückführungsventil

Info

Publication number: DE69527415T2
Application number: DE69527415T
Authority: DE
Inventors: A. Frankenberg; Earl Pearson
Original assignee: Robertshaw Controls Co
Current assignee: Robertshaw Controls Co
Priority date: 1994-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2015-01-13
Also published as: EP0739446B1; DE69527415D1; EP0739446A4; WO1995019497A1; EP0739446A1; US5494255A

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Continuation-in-Part- Anmeldung, die einen gemeinsamen Gegenstand hat mit der US- Patentanmeldung Nr. 08/180,661 mit dem Titel "Magnetbetätigtes Abgasrückführventil" im Namen von Frankenburg, welche am 12. Januar 1994 beim US-Patent- und Markenamt eingereicht worden ist.

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführventil (exhaust gas recirculation, EGR) zum Zusammenführen von Abgas von einer Motorverbrennungskammer mit Einlassgasen vor dem Führen einer Zusammensetzung aus Abgas und Einlassgasen zu der Motorverbrennungskammer.

Stand der Technik

Das Rückführen von Abgasen zurück zum Einlasskrümmer einer Verbrennungskraftmaschine senkt die Verbrennungstemperatur und reduziert die Emission von Di-Stickstoffoxid in die Atmosphäre. Abgasrückführventile (EGR-Ventile) sind verwendet worden, um den Anteil von Verbrennungsnebenprodukten zu regeln, der zum Einlasskrümmer zurückgeführt wird.
Im Stand der Technik wurde die Menge der Gasrückführung teilweise mittels eines Vakuumsignals gesteuert, welches das Öffnen und Schließen des EGR-Ventils regelt. Vakuumöffnungen in einem Drosselventilgehäuse wurden verwendet, um eine Druckanzeige zu erzielen, um das Öffnen und Schließen des EGR-Ventils zu steuern. Wenn die Motordrossel zuerst geöffnet wird, verbinden die Vakuumöffnungen ein Vakuum mit dem EGR- Ventil, was das EGR-Ventil öffnet und Brennstoffe zurück zu dem Einlasskrümmer führen. Wenn sich das Drosselventil weiter öffnet, sinkt das zum EGR-Ventil zugeführte Vakuum, und das EGR-Ventil schließt sich. Wenn die Motortemperatur sich unterhalb einer Sollwerttemperatur befindet, wurde das EGR- Ventil geschlossen, um ein grobes Leerlaufen des Motors zu verhindern. Das Einstellen des EGR-Ventils auf der Grundlage der Temperatur erfordert einen Temperatursensor und ein Mittel zum Steuern der EGR-Einstellung auf der Basis der erfassten Temperatur.
Das US-Patent Nr. 4,662,604 von Cook offenbart ein EGR-Ventil für eine Verbrennungskraftmaschine. Ein Ventilgehäuse lagert einen Ventilschaft, welcher sich vorwärts und rückwärts bewegt, um das EGR-Ventil als Antwort auf die Erregung eines Elektromagneten zu öffnen und zu schließen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes, elektronisch betätigtes EGR-Ventil, wobei der Abgasstrom durch das Ventil hindurch auf der Basis von erfassten Bedingungen eingestellt wird und ein Steuersignal auf der Basis dieser erfassten Bedingungen erzeugt wird, um die Ventileinstellung anzupassen. Das Ventil beinhaltet eine Magnetventilanordnung, welche das Steuersignal in eine lineare Bewegung eines Flussriegelelements innerhalb des Ventils umwandelt.

Offenbarung der Erfindung

Ein Abgasrückführventil und ein Verfahren zur Herstellung dieses Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen definiert.
US-A-5 020 505 offenbart ein EGR-Ventil gemäß dem ersten Teil des Anspruchs 1.
Eine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaute Abgasrückführventilanordnung führt Abgas von einer Motorverbrennungskammer mit Motoreinlassgasen zusammen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Ventilanordnung einen Ventilkörper mit einem Einlass, einem Auslass und einem Ventilkörperdurchlass, der den Einlass mit dem Auslass verbindet. Ein Ventilschaft ist für eine Bewegung relativ zu dem Ventilkörper gelagert und beinhaltet einen flussregulierenden Schaftbereich, der innerhalb des Ventilkörperdurchgangs angeordnet ist, um den Gasfluss durch den Ventilkörper hindurch zu regeln. Ein Ventilaktor ist mit dem Ventilschaft verbunden, um den Ventilschaft relativ zu dem Ventilkörper zu positionieren und so die Position eines Flussregelschaftbereichs innerhalb des Ventilkörpers zu steuern.
Ein Ventilaktorgehäuse ist an dem Ventilkörper angebracht und umgibt den Aktuator. Das Ventilaktorgehäuse beinhaltet ein hohlraumdefinierendes metallenes Gehäuseelement mit einer Öffnung zum Einsetzen des Ventilaktors in das Ventilgehäuse während der Montage der Ventilvorrichtung. Ein aus Plastik geformtes Gehäuse umgibt den Ventilaktor innerhalb des durch das metallene Gehäuseelement definierten Hohlraums.
Der Ventilaktor beinhaltet ein magnetisches Element, welches mit dem Ventilschaft verbunden ist, um den Ventilschaft entlang einer Bewegungsbahn vorwärts und rückwärts zu bewegen. Eine Leiterspule, die in dem aus Plastik geformten Gehäuse eingekapselt ist, erzeugt ein magnetisches Feld, um das magnetische Element zu positionieren. Elektrische Kontakte zum Erregen der Leiterspule sind teilweise in dem aus Plastik geformten Gehäuse eingekapselt.
Eine Ausführungsform der Ventilvorrichtung beinhaltet einen Positionssensor zum Überwachen einer Position des magnetischen Elements und zum Erzeugen eines Rückführsignals entsprechend der erfassten Stellung des Magnetelements. Das aus Plastik geformte Gehäuse weist ein erstes und ein zweites aus Plastik geformtes Stück auf, welche den Positionssensor umgeben. In dieser Ausführungsform der Erfindung erregen elektrische Kontakte, die teilweise in dem aus Plastik geformten Gehäuse eingekapselt sind, den Sensor. Ein elektrischer Kontakt führt das Rückführsignal entsprechend der erfassten Stellung des magnetischen Elements von dem Plastikgehäuse zu einem Verbinder außerhalb des Gehäuses.
Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unten beschrieben. Verschiedene Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlich aus einer Betrachtung dieser Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Verbrennungskammer und einen Fluidleitungspfad zum Führen von Brennstoffen von der Abgaskammer zu dem EGR-Ventil aus Fig. 1 darstellt;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf ein Abgasrückführventil (EGR-Ventil) gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht der in Fig. 2 dargestellten Ventilanordnung 2;
Fig. 3A ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Bewegungssensors zum Überwachen der Bewegung eines Ventilschafts;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Schnittansicht aus Fig. 3, um eine magnetische Kopplung zwischen einem Plungerkolben und einem magnetischen Polstück zu zeigen;
Fig. 5 und 6 sind Draufsichten auf ein Substrat, welches einen Teil des Bewegungssensors bildet;
Fig. 7 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche einen aus Plastik geformten Bereich der Ventilanordnung aus Fig. 2 vor der Montage des EGR- Ventils zeigt;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht des aus Plastik geformten Bereichs aus Fig. 7;
Fig. 9 und 10 sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht eines der drei Polstücke des EGR-Ventils;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Spulenkörpers, welcher eine Elektromagnetspule lagert, welche um den Spulenkörper herumgewickelt wird, bevor der Spulenkörper in eine Form eingesetzt wird, die verwendet wird, um den aus Plastik geformten Gehäusebereich aus Fig. 7 zu bilden;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines Metallclips, der verwendet wird, um einen Schaltkreis zum Überwachen einer Stellung des Ventilschafts zu vervollständigen; und
Fig. 13 ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer EGR-Ventilanordnung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen zeigen eine Ventilanordnung 10 zum Führen von Abgasen, die Verbrennungsnebenprodukte beinhalten, von einer Motorverbrennungskammer 12 zu einem Bereich 14 stromaufwärts der Verbrennungskammer 12, wo die Abgase mit Brennstoffen zusammengeführt werden, bevor sie in die Verbrennungskammer 12 eintreten. Eine Rückführleitung 20 führt Gas von einem Auslasskrümmer 22 zu der Ventilanordnung 10. Ein Ventilflusssteuerelement 30 bewegt sich vorwärts und rückwärts bezüglich eines Ventilkörpers 32 (Fig. 3), um das Volumen an Abgas zu regeln, welches durch einen Ventilkörperdurchlass 33 zu einem Rohr 35 fließt, welches die Abgase zurück zu der Verbrennungskammer führt, und zwar über einen Durchgang, der zu der Verbrennungskammer 12 führt.
Der Fluss durch die Ventilanordnung 10 wird elektrisch gesteuert durch einen Computer oder eine programmierbare Steuerung 34, welche Motorzustände, wie beispielsweise die Temperatur der Verbrennungskammer, die Motorgeschwindigkeit und die Belastung und den Druck von Gasen überwacht, die in einen Einlasskrümmer 36 eintreten. Als Antwort auf diese erfassten Zustände bestimmt der Computer 34 ein gewünschtes Volumen der Abgasrückführung und eine geeignete Ventileinstellung, um das gewünschte Flussvolumen zu erzielen. Ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal, erzeugt mittels des Computers 34, betätigt ein EGR-Magnetventil 40, um die Stellung des Flusssteuerelements 30 anzupassen und das gewünschte Volumen an Abgasfluss durch den Durchgang 33 hindurch zu schaffen.
Das pulsbreitenmodulierte Signal von dem Computer 34 erregt eine Magnetspule 42 (Fig. 3), welche ein magnetisches Feld erzeugt, um einen Plungerkolben 44 in eine gewünschte Stellung zu bewegen. Die Stellung des Plungerkolbens 44 diktiert die Stellung des Flusssteuerelements 30 innerhalb des Durchgangs 33. Der Computer 34 überwacht die Stellung des Plungerkolbens 44 mittels eines Positionssensors 60, welcher ein Rückführausgangssignal erzeugt, wenn der magnetisch durchlässige Plungerkolben 44 sich als Antwort auf die Erregung des Elektromagneten bewegt. Das Rückführsignal von dem Sensor 60 ist direkt mit der Plungerkolbenstellung gekoppelt, so dass der Computer 34 den Arbeitszyklus der Pulsbreitenmodulation anpassen kann, um eine gewünschte Plungerstellung zu erzielen.
Das Flusssteuerelement 30 beinhaltet einen Ventilkopf 114, welcher sich rückwärts und vorwärts bewegt bezüglich des Ventilkörpers 32 in dem Durchgang 33, um den Fluss durch den Körper hindurch zu steuern. Der Ventilkopf 114 ist mit einem länglichen Ventilschaft 116 verbunden, welcher sich von dem Ventilkörper weg durch eine stationäre Führung 120 hindurch erstreckt. In seiner vollständig geschlossenen Stellung ruht der Ventilkopf gegen einen Ventilsitz 124. Ein sich verjüngender Halsbereich 126 charakterisiert den Fluss gegenüber der Stellung des Ventils.
Die Elektromagnetwicklung 42 hat eine große Anzahl von Windungen, die in Umfangsrichtung um den Plungerkolben 44 herum und entlang einer Länge des Plungerkolbens 44 gewickelt sind. Der Plungerkolben 44 ist ein kaltgewalzter Stahlring, der innerhalb eines dünnwandigen Metallgehäuses oder Rohrs 140 gelagert ist, welches an einem Ende durch eine geformte Unteranordnung 144 geschlossen ist, welche den Sensor 60 lagert. Eine Druckfeder 142 spannt den Plungerkolben 44 in Richtung der Stellung in Fig. 3 vor, wodurch der Durchgang für den Gasfluss geschlossen wird.
Ein Metallrückhalter 140 ist auf ein Ende des Schafts 116 aufgecrimpt und erstreckt sich in einen gestuften mittleren Durchgang 142 in dem Plungerkolben 44. Der Rückhalter 150 hat einen zylindrischen Mittelbereich 153, welcher über das Ende des Schafts hinüber passt. Wenn dieser mittlere Bereich durch das Crimpen verformt wird, wird er in eine Nut 155 in dem Schaft hineingezwungen. Der Rückhalter 150 definiert einen schalenartigen Sitz für die Druckfeder 142, welche den Ventilkopf 114 in Richtung einer geschlossenen Stellung gegen den Sitz 124 vorspannt. Um das Ventil zu öffnen und das Volumen des Gases zu steigern, welches von dem Einlass zu dem Auslass fließt, wird der Plungerkolben 44 gegen die Vorspannkraft der Feder 142 bewegt. Diese Bewegung bringt eine Kraft auf den Rückhalter 150 auf, um den länglichen Schaft 116 zu bewegen und den daran angebrachten Ventilkopf 114, wenn die Feder 142 zusammengedrückt wird. Der Ventilkopf 114 wird von der in Fig. 3 gezeigten Stellung weggedrückt, so dass ein gesteuertes Fluidvolumen zwischen dem Kopf 114 und dem Ventilsitz 124 fließen kann.
Eine gesteuerte Erregung der Wicklung 42 wird durchgeführt durch Regeln des Einschalt- und Ausschaltzeitraums eines pulsbreitenmodulierten Signals, welches auf die Wicklung 42 aufgebracht wird, was zu einem gesteuerten durchschnittlichen Spulenstrom führt. Die Menge an Fluidfluss von dem Ventileinlass zu dem Auslass wird angepasst durch Steigern oder Absenken der Einschaltzeit des Impulses, während eine Nennfrequenz von 128 Hz beigehalten wird. Die Selbstinduktanz der Spulenwicklung 42 und die mechanische Trägheit des Plungerkolbens 44 stellen sicher, dass die Spulenwicklung einen auf diese Impulseinschaltezeit bezogenen durchschnittlichen Strom trägt.
Der Sensor 60 beinhaltet zwei elektrisch verbundene, leitfähige Wischelemente 156, die an einem Folger 158 angebracht sind, welcher sich in der geformten Unteranordnung 144 rückwärts und vorwärts bewegt, wenn sich der Plungerkolben 44 bewegt. Der Folger 158 ist gegen den Plungerkolben 44 mittels einer Druckfeder 160 vorgespannt und hat eine Welle 162, welche sich durch eine Öffnung in der Unteranordnung 144 hindurch erstreckt, um einen Drahtclip 161 zu kontaktieren, welcher einen Luftstrom in dem mittleren Durchgang 152 erlaubt und innerhalb eines Bohrlochs 159 (Fig. 3A) in dem Plungerkolben 44 vorgesehen ist. Die Feder 160 passt in eine ringförmige Nut 166 in einer Plastikabdeckung 168, welche in die Unteranordnung 144 hineinpasst. Der Sensor 60 wird montiert durch Einsetzen des Folgers in einen Hohlraum 169 an einem Ende der Unteranordnung 144, durch Platzieren der Abdeckung 168 über den Folger und durch Ultraschallschweißen der Abdeckung 168 und der Unteranordnung 144.
Die Druckfeder 160 führt dazu, dass der Folger 158 sich mit dem Plungerkolben 144 bewegt, so dass sich die Wischelemente 156 über zwei parallele Widerstandsflächen hinüber bewegen, die mittels eines Substrats 164 gelagert sind, das innerhalb von Schlitzen 170 in der geformten Unteranordnung 144 angebracht ist. Durch Überwachen eines elektrischen Potentials der Wischelemente überwacht die Steuerung 34 die Stellung des Plungerkolbens 44. Nur eines der beiden Seite an Seite angeordneten Wischelemente ist in dem Schnitt in Fig. 3 sichtbar.
Der Ventilkörper 32 lagert die Ventilschaftführung 120 und einen Hitzeschirm 182 mit einer Öffnung, durch welche hindurch sich der Schaft 116 erstreckt. Der Hitzeschirm 182 beinhaltet eine Schürze 184, welche an den Flussdurchgang 33 in dem Ventilkörper 32 angrenzt. Die Führung 120 kontaktiert den Schirm 182 und hat eine ringförmige Erhöhung 185 koplanar mit einer Oberfläche 186 des Ventilkörpers. Eine Dichtung 187 mit einem Ausschnitt zur Aufnahme der Führung 120 kontaktiert die Erhöhung 185 und verhindert, dass Gas in dem Durchgang 33 aus dem Ventilkörper austritt, wo die Führung 120 mit dem Ventilkörper in Eingriff ist. Ein Hitzeschirm 190 für den Elektromagneten ist an dem Ventilkörper 32 mittels Verbindern 192 angebracht, welche sich durch den Schirm 190 in Gewindeöffnungen in einer entfernbaren Ventilkörperplatte 191 erstrecken.
Nachdem der Hitzeschirm 190 an dem Ventilkörper angebracht worden ist, wird eine metallene Tellerfeder 194 mit einer Öffnung 195 in der Mitte über den länglichen Ventilschaft 116 hinüber platziert. Eine Vertiefung 196 in der Tellerfeder 194 bildet einen Sitz für ein Ende der Druckfeder 142. Diese Feder wird über den Schaft hinüber platziert und in die Vertiefung 196 gesetzt, bevor der Rückhalter 150 auf den Schaft 116 gecrimpt wird, um die Feder an ihrer Stelle zu halten.
Die Spulenwicklung 42 ist innerhalb eines Plastikspulenkörpers 198 gelagert. Drei magnetische Polenstücke 200 bis 202 mit einer hohen magnetischen Permeabilität, wie beispielsweise Stahl, grenzen an die Magnetspulenwicklung 42 an. Ein erstes äußeres magnetisches Stück 200 passt in den Hitzeschirm 190 und ruht auf einer Lippe 212, welche sich in Umfangsrichtung um die Platte 194 herum erstreckt. Ein zweites magnetisches Polstück 201 kontaktiert das Polstück 200 und passt zwischen den Spulenkörper 198 und den Schirm 190. Das andere Polstück 202 komplettiert einen magnetischen Kreis, welcher den Plungerkolben 44 umgibt. Die drei magnetischen Stücke 200 bis 202, der Plungerkolben 44 und der Schirm 190 definieren einen magnetischen Kreis für magnetische Felder, die durch die gesteuerte Erregung der Magnetspule 42 erzeugt werden.
Wie in Fig. 4 dargestellt, bezeichnen Pfeile 220 den Pfad für den magnetischen Kreis, welcher sich durch die Polstücke 200 bis 202 in den Plungerkolben 44 hinein und daraus heraus bewegt. Der Unterschied im magnetischen Potential über jedes Element des Pfads hinüber ist relativ unabhängig von der Stellung des Plungerkolbens 44, abgesehen von der magnetischen Potentialdifferenz zwischen dem Plungerkolben 44 und dem Polstück 200.
Das durch die Kombination der Polstücke 200 bis 202, den Plungerkolben 44 und die Spule 42 erzeugte magnetische Feld wird sehr einfach analysiert unter Beachtung der Veränderung in der magnetischen Energie, wenn sich der Plungerkolben 44 bewegt. Die auf den Plungerkolben 44 durch das magnetische Feld ausgeübte Kraft steht im Verhältnis zu der Veränderung in der magnetischen Energie des Systems als Funktion der Position. Der Plungerkolben 44 erreicht eine stabile Stellung, wenn diese Kraft durch eine gleiche und entgegengesetzte Kraft der Feder 142 ausgeglichen wird, die dazu tendiert, den Ventilkopf 144 zu dem Ventilsitz 124 zurückzuführen.
Wenn der Ventilkopf 114 sich gesetzt hat, wie in Fig. 3 dargestellt, erstreckt sich der magnetische Kreis über eine signifikante Luftspalte hinüber, da sich der Plungerkolben 44 nicht in einen Bereich erstreckt, der von dem Polstück 200 umgeben ist. Wenn der Strom durch die Magnetspule 42 ansteigt, bewegen magnetische Kräfte auf den Plungerkolben 44 den Plungerkolben gegen die Kraft der Feder 142. Wenn sich der Plungerkolben 44 bewegt, verändert sich eine magnetische Potentialdifferenz über den Luftspalt zwischen dem Plungerkolben 44 und dem Polstück 200 hinüber, da der Plungerkolben 44 in den Bereich eintritt, der von dem Polstück 200 begrenzt ist.
Eine magnetische Durchlässigkeit des Spalts zwischen dem Plungerkolben 44 und dem Polstück 200 ist proportional zu einem Flächenbereich A des Betrags der Überlappung geteilt durch die Breite r des Spalts. In der offenbarten Ausgestaltung ist r invariant und ungefähr gleich der Dicke des Rohrs 140. In Form einer Gleichung heißt das:
Durchlässigkeit (Permeanz) P A/r oder
wobei s der Betrag der Überlappung des Plungerkolbens mit dem Polstück 200 ist und d der Plungerkolbenradius (siehe Fig. 4).
Die an dem Plungerkolben 44 erzeugte Kraft ist proportional zum Unterschied in der magnetischen Energie zwischen unterschiedlichen Plungerstellungen. Für die Spulen-/Plungerkolbengeometrie in Fig. 3 ist dies der magnetische Potentialabfall über den Spalt zwischen dem Plungerkolben und dem Polstück hinüber in zweiter Potenz, multipliziert mit der Veränderung der Durchlässigkeit bezüglich der Bewegung des Plungerkolbens 44. In Form einer Gleichung heißt dies:
Kraft (magn. Potential)²dP/ds
Ein Spalt oder eine Nut 230 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die äußere Fläche des Plungerkolbens herum. Der Spalt 230 schneidet Feldlinien und hält die magnetische Durchlässigkeit über den Spalt zwischen dem Plungerkolben 44 und dem Polstück 202 hinüber konstant bezüglich der Plungerstellung. Dies beruht darauf, dass der Bereich der magnetischen Materialüberlappung des Polstücks 202 konstant ist und daher die Ableitung der Durchlässigkeit bezüglich des Hubs in diesem Bereich gleich Null ist, so dass die auf dieses Ende des Plungerkolbens 44 ausgeübte Kraft aufgrund von Veränderungen in der magnetischen Kopplung gleich Null wird.
Da sich das andere Ende des Plungerkolbens 44 jedoch bezüglich des sich verjüngenden Polstücks 200 bewegt, verändert sich die auf dem Plungerkolben 44 einwirkende Magnetkraft als Funktion der Stellung des Plungerkolbens 44. Da die Durchlässigkeit ungefähr linear mit der Plungerkolbenüberlappung s im Verhältnis steht (unter Vermeidung von Abklingeffekten), ist die Ableitung bezüglich der Überlappung konstant. Das bedeutet, dass der magnetische Potentialausdruck in der Kraftrelation diktiert, wie sich die Kraft mit der Plungerstellung verändert.
Die Gestalt eines Kegels 200a an dem Polstück 200 in Kombination mit einem sich verändernden Arbeitszyklus in der Spule 42 steuert den magnetischen Potentialausdruck in der Kraftrelation. Die Antwort des Plungerkolbens 44 auf die Spulenerregung wird gesteuert durch die Gestalt dieses Kegels, um eine lineare Beziehung zwischen der Kraft, die auf den Plungerkolben einwirkt, und der Plungerkolbenstellung zu erhalten. Insbesondere verändert sich, wenn die Feder 142 zusammengedrückt wird, die auf den Plungerkolben 44 ausgeübte Rückstellkraft auf im Allgemeinen lineare Art und Weise aufgrund des linearen, sich verjüngenden Abschnitts des Polstücks 200.
Der Aufbau der Ventilanordnung 10 ermöglicht es, dass Hochtemperaturabgase durch den Ventilkörper 32 geführt werden. Die Hitze von dem Abgas wird so weit wie möglich von der Spule 42 isoliert, um die Spule 42 unterhalb 400ºF zu halten. Diese Isolierung verhindert, dass das Kraft- Pulsbreitemodulations-Profil von Veränderungen der magnetischen Durchlässigkeit aufgrund von Temperaturänderungen abhängt. Ein Luftraum 230 verhindert, dass Hitze von dem Abgas direkt zu der Spule 42 geführt wird. Die einzige Hitze, die zu der Spule geleistet wird, tritt durch den Schirm 190 oder den Schaft 116 hindurch. Öffnungen 232 (Fig. 3) in dem Schirm 190 ermöglichen es, dass Luft durch den Luftraum 230 fließt, und entfernen einen Großteil der Hitze. Die Tellerfeder 194 wirkt auch als Hitzeschirm, um einen Hitzetransfer durch Abstrahlung und Konvektion von dem heißen Ventilkörper 32 zu der Spule 42 zu verhindern.
Ein Druckunterschied über den Sitz 124 hinüber dient dazu, den Durchgang 33 zu schließen, ermöglicht es jedoch, das Ventil mit einem geringen Strom zu öffnen. Normalerweise kann ein rückwärts wirkendes Ventil mit Federbelastung beim Schließen instabil sein. Die Gestalt des Sitzes 124 und die große Masse des Plungerkolbens 44 verhindern einen instabilen Betrieb beim Schließen des Ventils. Auch der mittlere Durchgang 152 in dem Plungerkolben 144 dient als Dämpfer, um das Auftreten von Schwingungen zu verhindern. Weil der Plungerkolben nicht an dem Schaft angebracht ist, tritt ein Binden des Schafts aufgrund einer falschen Ausrichtung des Schafts und des Plungerkolbens nicht auf.
Elektrische Signale, welche die Spule 42 erregen und die Bewegung des Plungerkolbens überwachen, werden durch ein Kabel geführt, welches aufnehmende Kontakt hat, welche zu aufzunehmenden Kontakten eines Gehäuseverbinders 250 passen. Zwei Kontakte 252a, 252b sind mit gegenüberliegenden Enden der Wicklung 42 verbunden und bringen ein pulsbreitenmoduliertes Signal auf die Wicklung auf, wie es von dem Computer 34 diktiert wird. Zwei andere Kontakte 254a, 254b erregen gegenüberliegende Enden einer Widerstandsschicht 272. Der Endkontakt 256 ist elektrisch mit den Wischern 156 gekoppelt und schafft ein Rückführsignal entsprechend der Stellung des Plungerkolbens 44.
Wie am Besten in Fig. 3A zu sehen ist, erstrecken sich die Kontakte von dem Bereich des Verbinders 250 in das Innere der geformten Plastikunteranordnung 144. Die beiden Kontakte 252a, 252b sind in elektrischem Kontakt mit gegenüberliegenden Enden der Spule. Die Kontakte 254a, 254b, 256 erstrecken sich zu dem Bereich des Sensors 60, wo sie mit Widerstandsmustern auf dem Substrat 164 gekoppelt wird, und zwar mit drei Clips 260.
Das Substrat 164 lagert zwei Widerstandsmuster 270, 272, welche zu dem Substrat hinzugefügt werden, nachdem drei Leitermuster 274, 276, 278 auf das Substrat 164 aufgebracht worden sind. Die beiden Leitermuster 274, 276 sind elektrisch mit den Kontakten 254a, 254b und elektrisch mit gegenüberliegenden Enden der Widerstandsschicht 272 verbunden (siehe Fig. 5). Der Leiter 258 hat zwei längliche Erweiterungen, welche sich unterhalb der Widerstandsschicht 270 erstrecken. Der Leiter 278 ist elektrisch mit dem Kontakt 256 gekoppelt. Wenn sich die beiden elektrisch verbundenen Wischer 156 nach oben und unten mit dem Plungerkolben 44 bewegen, wird ein Teil eines Gleichstromsignals, welches an den Kontakten 254a, 254b angelegt ist, von der Widerstandsschicht 272 abgenommen und mittels der Schicht 270 mit dem Leiter 278 und dem Ausgangskontakt 256 verbunden. Dieses Signal wird von der Steuerung 34 verwendet, um die Stellung des Ventilkopfes zu überwachen und zu bestätigen, dass diese Stellung sich verändert, wenn der Arbeitszyklus der Pulsbreitenmodulation, die an die Spule 42 angelegt wird, sich verändert.
Bevor die Unteranordnung 144 ausgebildet wird, wird die Spule 42 um den Spulenkörper 198 herumgewickelt, und die Kontakt 252a, 252b werden elektrisch mit gegenüberliegenden Enden der Spule 42 verbunden. Der Spulenkörper 198 und die Spule 42 sind in der perspektivischen Ansicht in Fig. 11 als Spulenanordnung 300 dargestellt.
Die Kontakt 252a, 252b erstrecken sich oberhalb einer oberen Fläche 302 des Spulenkörpers 198 von zwei Kontaktanbringstangen 310, 312 her. Die Kontaktanbringstangen 310, 312 sind integral mit dem Plastikspulenkörper 198 ausgebildet und beinhalten Schlitze 310a, 312a zum Führen von Enden des Drahts 314, welcher die Spule zu den Kontakt 252a, 252b formt.
Bevor die Spule gewickelt wird, werden zunächst die beiden Kontakte 252a, 252b an dem Spulenkörper angebracht, indem sie in Ausnehmungen in den Anbringstangen 310, 312 eingesetzt werden, welche in diesen Stangen ausgeformt werden, wenn der Spulenkörper geformt wird. Die Kontakte werden mittels eines geeigneten Klebstoffs an den Anbringstangen 310, 312 befestigt.
Ein innerstes Ende des Drahts 314 wird mehrfach um den Kontakt 252b herumgewickelt und durch den Schlitz 310a zu einer Nut 320 geführt, die in einer kreisförmigen Lippe 322 ausgeformt ist, die ihrerseits in dem Spulenkörper 198 ausgebildet ist. Der Draht 314 wird halb um den Spulenkörper 198 herumgewickelt, und zwar zwischen der Lippe 322 und der oberen Fläche 300 des Spulenkörpers.
Auf der Seite des Spulenkörpers 198 gegenüber den beiden Kontakten 252a, 252b wird der Draht durch einen Schlitz 324 in dem Spulenkörper hindurchgedrückt und um eine zylindrische Spulenkörperlagerfläche 330 herumgewickelt. Mehrfache Umdrehungen des Drahtes bedecken zunächst die Spulenkörperfläche 330 und weitere Umdrehungen kontaktieren frühere Drahtschichten. Die Wicklung der Spule 42 setzt sich fort, bis der Draht den Spulenkörper fast ausfüllt.
Ein äußeres Ende des Drahtes tritt aus dem Spulenkörper 198 durch eine zweite Lücke 332 in dem Spulenkörper zwischen den Anbringstangen 310, 312 heraus. Dieses Ende wird durch den Schlitz 312a hindurchgedrückt und um den Kontakt 252b herumgewickelt, um einen guten elektrischen Eingriff zwischen der Spule 42 und dem Kontakt 252b sicher zu stellen.
Die fertige Spulenkörperanordnung 300 wird dann mit dem Polstück 202 zusammengeformt, um die geformte Unteranordnung 144 auszubilden. Das Polstück 202 ist genauer in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Dieses magnetisch durchlässige Polstück 202 hat einen im Allgemeinen zylindrischen Körper 350, welcher sich grob über die halbe Länge des dünnwandigen Gehäuses 140 in dem montierten EGR-Ventil erstreckt. Ein Flansch 352, der vier Kerben 354 bis 357 hat, die ausgeformt werden, wenn das Polstück gegossen wird, erstreckt sich radial auswärts von dem zylindrischen Körper 350.
Die Spulenkörperanordnung 300 wird in eine Form (nicht dargestellt) eingesetzt, und das Polstück 202 wird in die Spulenkörperanordnung eingesetzt, so dass eine Basis des zylindrischen Körpers 350 gegen eine Erhöhung 360 in einer nach innen weisenden Wand 362 des Spulenkörpers 198 ruht. Wenn es innerhalb des Spulenkörpers zentriert ist, ist eine nach außen weisende Wand 264 des Polstücks von der nach innen weisenden Wand 364 des Spulenkörpers durch einen Zwischenraum 370 beabstandet. Die anderen elektrischen Kontakte 254a, 254b, 256 sind zwischen den beiden Kontakten positioniert, die an dem Spulenkörper 198 angebracht sind, und die Unteranordnung 144 wird in einer Form ausgeformt. Während des Ausformens fließt das Plastik durch den Zwischenraum 370 zwischen dem Spulenkörper und dem Polstück 202 und fließt auch durch die Kerben 354 bis 357 in dem Polstück, so dass Plastik eine äußere Schicht des Drahtes der Spule 42 bedeckt, welche in der Darstellung in Fig. 11 freiliegt.
Die Abdeckung 168 und der Folger 158 sind separat geformte Stücke. Wenn die Unteranordnung aus ihrer Form entfernt wird, liegen Enden der Kontakte 254a, 254b, 256 in Seitentaschen 372 frei, welche sich an einem Ende der Unteranordnung 144 von dem Hohlraum 169 weg erstrecken. Um die Montage des Positionssensors 60 fertig zu stellen, wird das Substrat 164 in den Hohlraum 169 hineingesetzt, indem es in die Schlitze 170 auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums 169 eingesetzt wird. Wenn das Substrat platziert worden ist, werden die Clipse 260 (Fig. 12) über Enden der drei Kontakte 154a, 154b, 156 hinüber platziert. Jeder der Clipse 260 hat ein verformbares Metallelement 380, welches mit einem zugehörigen Kontakt in Eingriff gerät, und einen gekrümmten Hänger 382, welcher über das Substrat 364 hinüber passt. Der Hänger hat eine Kontaktfläche 384, welche mit Kontaktkissen oben an dem Substrat 164 in Eingriff gerät, welche Teil der Leiter 274, 276, 278 sind.
Fig. 13 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Ventilanordnung 410, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist. In dieser Ausführungsform überwacht die Steuerung 34 den Fluidstrom mit einem Durchflusssensor (nicht dargestellt), so dass es keinen Positionssensor gibt, um die Stellung eines Durchflusssteuerelements zu überwachen. Die Ventilanordnung 410 beinhaltet einen Ventilkopf 414, welcher sich bezüglich eines Ventilkörpers 116 in einem Durchgang 418 zurück und vorwärts bewegt, um den Fluidfluss durch den Körper 416 hindurch zu steuern. Der Ventilkopf 414 ist mit einem länglichen Ventilschaft 420 verbunden, welcher sich von dem Ventilkörper durch eine stationäre Ventilschaftführung 422 hindurch erstreckt. In seiner vollständig geschlossenen Stellung ruht der Ventilkopf gegen einen Ventilsitz 424 in dem Ventilkörper.
Eine Magnetspulenwicklung 442 hat eine große Anzahl von Windungen, die in Umfangsrichtung um einen metallenen Plungerkolben 444 herum und entlang einer Länge dieses Plungerkolbens 444 gewickelt sind. Der Plungerkolben 444 ist ein kaltgewalzter Stahlring, der innerhalb einer geformten Unteranordnung 446 gelagert ist. Da die Ausführungsform nach Fig. 13 keinen Sensor beinhaltet, hat die geformte Unteranordnung 446 keine Kontakte, die sich einwärts nach jenseits zweier Kontakte 445 erstrecken (von denen in Fig. 13 nur einer dargestellt ist), welche Erregungssignale zu der Spule 442 führen. Eine Druckfeder 448 spannt den Plungerkolben 444 in die in Fig. 13 dargestellte Stellung vor, was den Durchgang für den Gasdurchfluss verschließt.
Eine Metallrückhalter 450 ist auf ein Ende des Schafts 420 aufgecrimpt und erstreckt sich in einen Hohlraum innerhalb des Plungerkolbens 444. Der Rückhalter 450 hat einen zylindrischen Mittelbereich 453, welcher über das Ende des Schafts hinüber passt. Wenn dieser mittlere Abschnitt durch Crimpen verformt wird, wird er in eine Nut 455 in dem Schaft hinein gezwungen. Der Rückhalter 450 definiert einen tellerartigen Sitz für die Druckfeder 448, welche den Ventilkopf 414 in Richtung einer geschlossenen Stellung gegen den Sitz 424 vorspannt. Um das Ventil zu öffnen und das Volumen des Gases zu steigern, welches von dem Einlass zu dem Auslass fließt, wird der Plungerkolben 444 gegen die Vorspannwirkung der Feder 448 bewegt. Diese Bewegung bringt eine Kraft auf den Rückhalter 450 auf, um den länglichen Schaft zu bewegen und den daran angebrachten Ventilkopf 414, wenn die Feder 448 zusammengedrückt wird. Der Ventilkopf 414 wird von der Stellung in Fig. 13 weggedrückt, um es zu ermöglichen, dass ein gesteuertes Volumen an Fluid durch einen Zwischenraum zwischen dem Ventilkopf 414 und dem Ventilsitz 424 hindurchströmt.
Die Spulenwicklung 442 ist innerhalb eines Plastikspulenkörpers 460 gelagert. Zwei magnetische Polstücke 462, 464 mit hoher magnetischer Durchlässigkeit, wie beispielsweise Stahl, grenzen an die Magnetspulenwicklung 442 an. Die beiden magnetischen Stücke 462, 464 und der Plungerkolben 444 definieren einen magnetischen Kreis für magnetische Felder, die durch die gesteuerte Erregung der Magnetspule 442 erzeugt werden. Statt eine Stellung des Plungerkolben 444 zu überwachen, überwacht eine Steuerung 34 den momentanen Fluidstrom durch den Durchgang 418 hindurch. Das gleiche Pulsbreitenmodulations-Steuerschema wird verwendet, um die Spule 442 zu erregen, aber ein getrennter Durchflusssensor bestätigt die Antwort auf die Spulenerregung.
Das magnetische Polstück 462 bildet einen Hohlraum, in welchen die geformte Plastikunteranordnung 446 während der Ventilmontage hineingesetzt wird. Das Polstück 462 definiert eine sich radial einwärts erstreckende Lippe 470 an einem Ende der Spule 442. Diese Lippe lagert eine metallene Sitzanordnung 474 für die Feder 448. Die Anordnung 474 hat einen Federsitz 476, welcher in der Lippe 470 sitzt und die Feder lagert. Eine Dichtung 478 passt in die Feder 448 und gerät mit einem Ende des Schafts 420 mit reduziertem Durchmesser in der Nähe des Rückhalters 450 in Eingriff.
Die Ventilschaftführung 422 ist von dem Polstück 448 durch eine Schale 480 getrennt, die Öffnungen um ihren Umfang herum aufweist, um einen Luftstrom zwischen dem Ventilkörper und der Spulenanordnung zu ermöglichen. Verbinder 482 erstrecken sich durch einen Flansch 484 hindurch, der mit dem Ventilkörper verbunden ist, in Gewindeöffnungen in dem Polstück 462, um den Ventilkörper an der Spulenanordnung anzubringen. Eine Dichtung 486 zwischen der Schale und dem Flansch verhindert, dass Hochtemperaturgase, die durch den Ventilkörper hindurch strömen, die aus Plastik geformte Unteranordnung 446 erreichen.
Die vorliegende Erfindung ist mit einem bestimmten Grad an Genauigkeit beschrieben worden, aber die Erfindung soll alle Variationen des offenbarten Designs beinhalten, die in den Geist oder den Bereich der anliegenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Magnetbetätigtes Abgasrückführventil (10) mit:

a) einem Abgasrückführventilkörper (32) mit einem Einlass und einem Auslass, welcher Körper (32) einen Ventilkörperdurchlass (33) definiert, der den Einlass mit dem Auslass verbindet;

b) einem Ventilschaft (30), welcher relativ zu dem Ventilkörper (32) beweglich gelagert ist und welcher einen Schaftbereich (116) innerhalb des Ventilkörperdurchlasses (33) hat, um den Durchfluss durch den Ventilkörper (32) zu steuern;

c) einem Ventilaktor mit einer Leiterspule und einem magnetischen Element (44), welches mit dem Ventilschaft (30) verbunden ist zum Positionieren des Schaftbereichs (116) innerhalb des Ventilkörperdurchlasses (33), um den Durchfluss durch den Ventilkörper (32) steuern; und

d) einem Aktorgehäuse (190), welches an seinem einen Ende an dem Ventilkörper (32) angebracht ist und welches den Ventilaktor umgibt;

dadurch gekennzeichnet, dass

das Aktorgehäuse (190) ein einen Hohlraum definierendes Gehäuseelement (140) aufweist, welches an dem gegenüberliegenden Ende des Aktorgehäuses eine Öffnung aufweist, die während der Montage der Ventileinrichtung zum Einführen des magnetischen Elements (44) in das Aktorgehäuse (190) von dem gegenüberliegenden Ende her dient, sowie ein aus Plastik geformtes Gehäuse (144, 168), welches die Öffnung schließt, um das magnetische Element (44) innerhalb des Hohlraums einzuschließen, welcher durch das Gehäuseelement (140) definiert ist.

2. Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einen Hohlraum definierende Gehäuseelement (140) aus Metall besteht.

3. Ventil (10) nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch einen Positionssensor (60) zum Überwachen einer Position des Ventilschafts (30) und zum Ausgeben eines Rückführsignals, welches der erfassten Position des Ventilschafts (30) entspricht, und wobei das aus Plastik geformte Gehäuse (144, 168) ein erstes und ein zweites aus Plastik geformtes Teil aufweist, die den Positionssensor (60) umgeben.

4. Ventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilaktor (44) das magnetische Element (44) beinhaltet, welches mit dem Ventilschaft (30) zum Bewegen des Ventilschafts (30) vorwärts und rückwärts entlang eines Bewegungspfads verbunden ist, und dass das Ventil (10) außerdem eine Leiterspule (42) aufweist, welche in dem aus Plastik geformten Gehäuse (144, 168) verkapselt ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetische Element (44) zu positionieren.

5. Ventil (10) nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch elektrische Kontakte (252a, 252b) zum Erregen der Leiterspule (42); wobei die Kontakte (252a, 252b) teilweise innerhalb des aus Plastik geformten Gehäuses (144, 168) eingekapselt sind.

6. Ventil (10) nach Anspruch 5, weiter gekennzeichnet durch einen Positionssensor (60) zum Überwachen einer Position des magnetischen Elements (44) und zum Ausgeben eines Rückführsignals, welches der erfassten Position des magnetischen Elements (44) entspricht, und wobei das aus Plastik geformte Gehäuse (144, 168) ein erstes und ein zweites aus Plastik geformtes Teil aufweist, die den Positionssensor (60) umgeben.

7. Ventil (10) nach Anspruch 6, weiter gekennzeichnet durch elektrische Kontakte (254a, 254b, 256), welche teilweise innerhalb innerhalb des aus Plastik geformten Gehäuses (144, 168) eingekapselt sind, um den Positionssensor (60) zu erregen, wobei ein elektrischer Kontakt (256) das Rückführsignal, welches der erfassten Position des magnetischen Elements (44) entspricht, von dem aus Plastik geformten Gehäuse (144, 168) zu einem Anschluss (250) außerhalb des aus Plastik geformten Gehäuses (144, 168) führt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Abgasrückführventils (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:

a) Schaffen eines Ventilkörpers (32) mit einem Einlass und einem Auslass, welche durch einen Durchgang (33) verbunden sind, so dass Fluid in den Ventilkörper (32) eintreten und durch den Durchgang (33) hindurch vom Einlass zum Auslass fließen kann;

b) Positionieren eines beweglichen Durchfluss- Steuerelements (30) innerhalb des Durchgangs (33) und Koppeln eines magnetischen Positions- Einstellelements (44) mit dem Durchfluss- Steuerelement (30) zum Bewegen des Durchfluss- Steuerelements (30), um den Durchfluss durch den Durchgang (33) einzustellen;

c) Anbringen eines Gehäuseelements (190) aus Metall an dem Ventilkörper (32), um das magnetische Positions-Einstellelement (44) in einem Hohlraum einzuschließen, welcher durch das Gehäuseelement (190) aus Metall definiert ist;

d) Einkapseln einer Spule (42) und eines diese umgebenden Plastikgehäuses (144, 168) innerhalb des Gehäuseelements (190) aus Metall in einer Position, um die Bewegung des magnetischen Positions- Einstellelements (44) als Antwort auf die Erregung der Spule zu verursachen; und

e) Anschließen von Drahtleitungen an die Spule (42) zum Erregen der Spule (42).

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Einkapselns die Unterschritte des Wickelns der Spule (42) um einen Plastikspulenkörper (198) herum beinhaltet und des Einkapselns sowohl der Spule (42) als auch des Spulenkörpers (198) innerhalb des Plastikgehäuses (144, 168).

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Plastikgehäuse (144, 168) einen Hohlraum beinhaltet sowie eine Öffnung, welche zugänglich ist zu einem Bereich, welcher von dem magnetischen Positions-Einstellelement (44) eingenommen wird, und weiter mit den Schritten des Einsetzens eines Ventilpositionssensors (60) in den Hohlraum, so dass der Sensor (60) durch die Öffnung hindurchtritt, um das bewegliche Durchfluss-Steuerelement (30) zu kontaktieren, und des Weiterleitens von Positions- Anzeigesignalen von dem Hohlraum her.