DE102009054311A1

DE102009054311A1 - Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009054311A1
Application number: DE102009054311A
Authority: DE
Inventors: Martin Nowak; Michael Sanders; Sven Nigrin; Andreas Köster
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: WO2011064096A1; DE102009054311B4; EP2504555A1; EP2504555B1

Abstract

Es sind Ventilvorrichtungen mit einer Antriebseinheit, einem Getriebe und einem folgenden Kopplungselement zur Umformung einer rotatorischen Bewegung der Antriebseinheit in eine translatorische Bewegung eines Verstellelementes bekannt. Bei diesen Elementen findet eine Rückmeldung der Position insbesondere bei hoher thermischer Belastung zumeist über eine Detektierung der Drehlage eines Getriebeteils statt. Um eine korrekte Lageerfassung bei einer derartigen Ventilvorrichtung zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass starr am Kopplungselement (8) ein Trägerelement (36) angeordnet ist, an dem ein Magnet (40) befestigt ist, der mit einem berührungslosen Sensor (42) zusammenwirkt, welcher im Gehäuse (10) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, in dem eine Antriebseinheit, die ein Drehmoment erzeugt, eine Getriebeeinheit, ein Kopplungselement und ein translatorisch bewegbares Verstellelement, welches mit dem Kopplungselement fest verbunden ist, angeordnet sind.
Derartige Ventilvorrichtungen werden beispielsweise als Abgasrückführventile verwendet. Sensorsysteme zur Lagerückmeldung werden bei diesen Anwendungen üblicherweise im Bereich der Getriebeeinheit angeordnet, um eine zu hohe thermische Belastung des Magneten oder des Sensors zu vermeiden, da dies häufig zu einer Entmagnetisierung von Permanentmagneten führt, die wiederum Ungenauigkeiten bei der Lagerückmeldung zur Folge hat.
So ist aus der EP 1 126 156 A2 ein Abgasrückführventil bekannt, bei dem die Lagerückmeldung über ein Potentiometer erfolgt. Hierzu sind an der Ventilstange sich mit der Ventilstange bewegende Schleifkontakte angeordnet. Diese neigen jedoch im Abgasbereich zur Verschmutzung und daraus folgend zu ungenauen Ergebnissen bei der Lagerückmeldung.
Zusätzlich ist aus der EP 1 091 112 B1 ein Abgasrückführventil mit einem berührungslos arbeitenden Hall-Sensor bekannt. Die genaue Anordnung des Sensors und des Magneten gehen aus dieser Schrift jedoch nicht hervor.
Aus der DE 102 01 141 A1 ist eine Stellvorrichtung mit einem Getriebe bekannt, in dem ein Hall-Sensor integriert ist, der mit einem auf einer Abtriebswelle angeordneten Magneten zusammenwirkt. Bei anschließender Umsetzung der rotatorischen Bewegung in eine translatorische Hubbewegung würde jedoch nicht das zu detektierende Glied erkannt, so dass Fehler durch Spiel zwischen den einzelnen Übersetzungsstufen auftreten.
Des Weiteren ist es beispielsweise aus der DE 198 48 081 A1 bekannt, einen Sensor auf einem Stanzkamm anzuordnen und diesen mit Kunststoff zu umspritzen.
Eine Anordnung eines Magnet-Sensorsystems zur direkten Lagerückmeldung an einem Hubventil, insbesondere im Abgasbereich, welches eine lange Lebensdauer aufweist und leicht zu montieren ist, ist nicht bekannt.
Somit ergibt sich die Aufgabe, eine Ventilvorrichtung zu schaffen, mit der eine exakte Lagerückmeldung auch bei thermischer Belastung über einen langen Zeitraum exakt und zuverlässig ermöglicht wird, ohne dass im Vergleich zu bekannten Ausführungen zusätzlicher Bauraum verwendet werden muss oder ein erhöhter Montageaufwand entsteht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass starr am Kopplungselement ein Trägerelement angeordnet ist, an dem ein Magnet befestigt ist, der mit einem berührungslosen Sensor zusammenwirkt, welcher im Gehäuse befestigt ist. Somit werden das Kopplungselement und das Trägerelement in gleicher Weise translatorisch mit dem Verstellelement bewegt, so dass die Bewegung des Magneten der Bewegung des Verstellelementes entspricht. Dennoch ist eine thermische Entkopplung des Magneten vom gegebenenfalls thermisch hoch belasteten Verstellelement gegeben.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Sensor parallel zur Bewegungsrichtung des Trägerelementes angeordnet. So kann ein kostengünstiger, axial magnetisierter Permanentmagnet verwendet werden.
Vorteilhaft ist es, den Sensor im Gehäuse einzuspritzen. So ist der Sensor vor Umgebungseinflüssen geschützt. Gleichzeitig wird ein Lösen des Sensors verhindert und seine feste Lage über die gesamte Lebensdauer sichergestellt.
Vorzugsweise ist der Sensor auf den Enden eines Stanzgitters durch Schweißen befestigt, wobei die gegenüberliegenden Enden des Stanzgitters als Anschlusspins für einen Anschlussstecker dienen. Somit kann der Sensor ohne die Verwendung weiterer Bauteile, wie beispielsweise einer Platine, im Gehäuse befestigt und elektrisch kontaktiert werden. Die Stanzgitter werden dabei mit umspritzt, so dass auch ein Lösen der elektrischen Kontaktierung verhindert wird. Weitere Steckverbindungen und ähnliches entfallen vollständig, wodurch wiederum über die gesamte Lebensdauer eine zuverlässige elektrische Verbindung sichergestellt wird.
Weiterhin kann das Stanzgitter vorteilhaft Kontaktelemente zum Anschluss der Antriebseinheit aufweisen, deren entgegengesetzte Enden als Anschlusspins für den Anschlussstecker dienen. Das gesamte Stanzgitter kann in einem Verfahrensschritt hergestellt und beim Umspritzen dessen Lage im Gehäuse sichergestellt werden. Dabei werden ohne weitere Montage auch die Kontaktstellen für den Elektromotor erzeugt.
In einer weiterführenden Ausführung sind auf dem Stanzgitter Elektronikbauteile zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit befestigt, welche ebenfalls mit umspritzt werden können.
So kann auch hier auf weitere Fertigungsschritte verzichtet werden, während eine zuverlässige Befestigung sichergestellt ist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der zwischen dem Magneten und dem Verstellelement ein wärmeisolierendes Element angeordnet ist. Durch dieses Element findet eine thermische Entkopplung des wärmebelasteten Verstellelements vom Magneten statt, was die Lebensdauer des Magneten und die Genauigkeit der Messungen deutlich erhöht. Dabei kann entweder ein separates Element zwischen dem Kopplungselement und dem Trägerelement angeordnet werden oder eines dieser Teile einstückig mit dem Kopplungselement oder dem Trägerelement hergestellt werden.
In einer hierzu weiterführenden Ausführung dient ein keramisches Element als wärmeisolierendes Element. Ein solches Element ist einfach am Verstellelement und am Kopplungselement zu befestigen oder, wie bereits erwähnt, einstückig mit diesen herzustellen. Es unterliegt bei guter Wärmeisolierung einem geringen Verschleiß und ist thermisch hoch belastbar.
So ist es bevorzugt, wenn das Trägerelement einstückig mit dem Kopplungselement ausgebildet ist und das wärmeisolierende Element und der Magnet im Kopplungselement integriert sind. Eine solche Ausführung ist besonders kostengünstig realisierbar.
Es wird somit eine Ventilvorrichtung mit einer Lagerückmeldung geschaffen, die über eine lange Lebensdauer auch bei hohen thermischen Belastungen exakte Messungen der Position des Verstellelementes sicherstellt. Die Magnet-Sensoreinheit ist einfach im Aufbau zu integrieren und kostengünstig herstellbar.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird am Beispiel eines Abgasrückführventils nachfolgend beschrieben.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenansicht der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in geschnittener Darstellung.
2 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Stanzgitter mit Sensor der Ventilvorrichtung aus 1.
Die in 1 dargestellte Ventilvorrichtung zeigt einen Ausschnitt eines Abgasrückführventils. Dieses weist eine Antriebseinheit 2 in Form eines Elektromotors sowie eine Getriebeeinheit 4 auf, die über die Antriebseinheit 2 angetrieben wird und deren Bewegung über ein Kopplungselement 6 auf ein Verstellelement 8 übertragen wird, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ventilstange des Abgasrückführventils ist.
Die Antriebseinheit 2, die Getriebeeinheit 4 sowie das Kopplungselement 6 und das Verstellelement 8 sind in einem gemeinsamen mehrteiligen Gehäuse 10 angeordnet, welches aus einem topfförmigen, die Antriebseinheit 2 umgebenden Gehäuseteil 12, einem die Getriebeeinheit 4 aufnehmenden Gehäuseteil 14 sowie einem das Gehäuseteil 14 verschließenden Deckelteil 16 besteht.
Auf einer Antriebswelle 18 der Antriebseinheit 2 ist ein erstes Zahnrad 20 der Getriebeeinheit 4 drehfest angeordnet, mittels dessen folgende Zahnräder derart angetrieben werden, dass eine gewünschte Untersetzung erreicht wird. Ein im Kraftfluss der Getriebeeinheit 4 letztes Zahnrad 22 ist als Zahnradsegment ausgeführt, dessen Drehachse 24 im Gehäuseteil 14 befestigt ist. Am Zahnrad 22 ist zusätzlich eine Achse 26 befestigt, die konzentrisch um die Drehachse 24 auf einer Kreisbahn bei Betätigung der Antriebseinheit 2 bewegt wird. Auf dem zum Zahnrad 22 entgegengesetzten Ende der Achse 26 ist eine Rolle 28 befestigt, welches in einer Kulisse 30 des Kopplungselementes 6 läuft. Das Kopplungselement 6 ist fest mit dem Verstellelement 8 verbunden, welches wiederum im Gehäuse 10 derart gelagert und geführt ist, dass es lediglich eine translatorische Hubbewegung ausführen kann. Entsprechend wird die Kreisbewegung der Rolle 28 durch das Kopplungselement 6 in eine translatorische Bewegung des Verstellelementes 8 umgewandelt.
Zusätzlich ist um eine vom Verstellelement 8 abgewandten Seite des Zahnrades 22 eine Schraubenfeder 32 angeordnet, welche als Rückdrehfeder dient und bei Ausfall der Antriebseinheit 2 das Ventil in seine Schließstellung bewegt. Hierzu ist ein Schenkel 34 der Feder 32 am Zahnrad 22 befestigt und ein am anderen Ende der Feder 32 angeordneter, in der Figur nicht sichtbarer Schenkel am Gehäuseteil 14 befestigt.
Am vom Verstellelement 8 abgewandten Ende des Kopplungselementes 6 ist am Kopplungselement 6 ein Trägerelement 36 befestigt, welches mit dem Kopplungselement 6 die Hubbewegung des Verstellelementes 8 vollzieht. Am zum Kopplungselement 6 entgegengesetzten Ende weist das Trägerelement 36 eine Aufnahme 38 auf, in welcher ein Permanentmagnet 40 angeordnet ist.
Der Permanentmagnet 40 kommuniziert mit einem berührungslosen Sensor 42, der vom Kunststoff des Gehäuseteils 14 umgeben ist und parallel zur Bewegungsachse des Trägerelementes 36 neben diesem angeordnet ist. Der Magnet 40 kann beispielsweise axial magnetisiert sein, so dass der Sensor 42 den sich mit Bewegung ändernden Winkel des auf ihn wirkenden magnetischen Feldes detektiert, welches ein Maß für die Stellung des Verstellelementes 8 ist.
Im Trägerelement 36 ist zwischen dem Magneten 40 und dem Kopplungselement 6 ein wärmeisolierendes Element 44 in Form eines Keramikelementes angeordnet. Dieses Keramikelement 44 könnte auch zwischen dem Kopplungselement 6 und dem Trägerelement 36 angeordnet werden. Wesentlich ist, dass die Wärme des Abgases, welche auf das Verstellelement 8 wirkt, durch das wärmeisolierende Element 44 gegenüber dem Magneten 40 abgeschirmt wird, so dass dieser einer deutlich verringerten thermischen Belastung ausgesetzt ist.
Aus der 2 wird die Anbindung des Sensors 42 im Gehäuse deutlich. Der Sensor 42 ist mit seinen Kontaktelementen 46 direkt auf ein Stanzgitter 48 aufgeschweißt, welches zusätzlich Kontaktelemente 50 zur Kontaktierung des Elektromotors 2 aufweist. Die jeweils entgegengesetzten Enden des Stanzgitters 48, welche auch in 1 zu erkennen sind, dienen als Anschlusspins 52 für einen Anschlussstecker zur Ansteuerung der Antriebseinheit 2.
Die gesamte in 2 dargestellte Einheit wird bei der Herstellung der Ventilvorrichtung in eine Spritzgussform eingelegt, so dass der Sensor 42 und das Stanzgitter 48 mit Ausnahme der Anschlusspins 52 und der Motorkontaktelemente 50 mit Kunststoff umspritzt werden. So kann zuverlässig ein Lösen der Sensorkontakte 46 vermieden werden, welche am Stanzgitter 48 angeschweißt sind.
Selbstverständlich wäre es zusätzlich möglich, elektronische Bauteile zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit vor dem Umspritzen auf dem Stanzgitter zu befestigen.
Diese Ventilvorrichtung zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit bei der Lagerückmeldung durch exakte sich nicht verändernde Positionierung des Sensors zum Magneten, durch Anordnung des Magneten auf dem zu detektierenden Element selbst sowie durch eine die thermische Entlastung des Magneten aus. So kann über eine lange Lebensdauer eine korrekte Positionsdetektierung sichergestellt werden. Der Aufbau ist einfach und die Herstellung beziehungsweise Montage weist nur sehr wenige mögliche Fehlerquellen auf.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der Ansprüche nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere können das Kopplungselement und das Trägerelement auch einstückig hergestellt werden, oder das Trägerelement als keramisches isolierendes Teil den Magneten aufnehmen. Auch könnte das Isolierteil als separates Teil zwischen dem Kopplungselement und dem Trägerelement angeordnet werden. Des Weiteren ist die Form des Getriebes oder der Elemente, über die die Drehbewegung in eine translatorische Bewegung umgeformt wird, nicht beschränkend für die vorliegende Erfindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1126156 A2 [0003]
EP 1091112 B1 [0004]
DE 10201141 A1 [0005]
DE 19848081 A1 [0006]

Claims

Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, in dem eine Antriebseinheit, die ein Drehmoment erzeugt, eine Getriebeeinheit, ein Kopplungselement und ein translatorisch bewegbares Verstellelement, welches mit dem Kopplungselement fest verbunden ist, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass starr am Kopplungselement (8) ein Trägerelement (36) angeordnet ist, an dem ein Magnet (40) befestigt ist, der mit einem berührungslosen Sensor (42) zusammenwirkt, welcher im Gehäuse (10) befestigt ist.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (42) parallel zur Bewegungsrichtung des Trägerelementes (36) angeordnet ist.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (42) im Gehäuse (10) eingespritzt ist.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (42) auf den Enden eines Stanzgitters (48) durch Schweißen befestigt ist, wobei die gegenüberliegenden Enden des Stanzgitters (48) als Anschlusspins (52) für einen Anschlussstecker dienen.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanzgitter (48) Kontaktelemente (50) zum Anschluss der Antriebseinheit (2) aufweist, deren entgegengesetzte Enden als Anschlusspins (52) für den Anschlussstecker dienen.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Stanzgitter (48) Elektronikbauteile zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit befestigt sind.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magneten (40) und dem Verstellelement (8) ein wärmeisolierendes Element (44) angeordnet ist.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Element als wärmeisolierendes Element (44) dient.
Ventilvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (36) einstückig mit dem Kopplungselement (6) ausgebildet ist und das wärmeisolierende Element (44) und der Magnet (40) im Kopplungselement (6) integriert sind.