DE102010020617A1

DE102010020617A1 - Aktuator für ein Verschlussorgan eines Druckkanals

Info

Publication number: DE102010020617A1
Application number: DE201010020617
Authority: DE
Inventors: Wilfried von der Ahe; Manfred Bartscht; Norbert Bräutigam; Bodo Bücker; Seven Keramettin; Dr. Müller Hagen; Volkmar Stebner; Eckart Wirries
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2011-11-17
Also published as: WO2011141533A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (1) für ein Verschlussorgan (2) eines ein gasförmiges Medium führenden Druckkanals, insbesondere für ein Verschlussorgan (2) eines Bypasskanals eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine, umfassend einen elektromotorischen Stellantrieb (3), ein Kopplungsmittel (4), mittels dessen der elektromotorische Stellantrieb (3) mit dem Verschlussorgan (2) gekoppelt ist, und ein Federkraftspeichermittel (5), wobei mittels des elektromotorischen Stellantriebs (3) und des Federkraftspeichermittels (5) eine Kraft erzeugbar ist, die über das Kopplungsmittel (4) entgegen des Strömungsdrucks des gasförmigen Mediums auf das Verstellorgan (2) wirken kann, und wobei der elektromotorische Stellantrieb (3) und das Federkraftspeichermittel (5) so ausgebildet sind, dass über das Kopplungsmittel (4) an dem Verschlussorgan (2) ein nichtlinearer, von der jeweiligen Stellung des Verschlussorgans (2) abhängiger Kraftverlauf erzeugt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator für ein Verschlussorgan eines ein gasförmiges Medium führenden Druckkanals, insbesondere für ein Verschlussorgan eines Bypasskanals eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine, umfassend einen elektromotorischen Stellantrieb, ein Kopplungsmittel, mittels dessen der elektromotorische Stellantrieb mit dem Verschlussorgan gekoppelt ist, und ein Federkraftspeichermittel, wobei mittels des elektromotorischen Stellantriebs und des Federkraftspeichermittels eine Kraft erzeugbar ist, die über das Kopplungsmittel entgegen des Strömungsdrucks des gasförmigen Mediums auf das Verstellorgan wirken kann.
Aktuatoren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Sie können insbesondere für ein Verschlussorgan eines Bypasskanals eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine vorgesehen sein. Abgasturbolader zur Erhöhung der Leistung von Verbrennungsmaschinen sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Regulierung des Ladedrucks ist bei den bekannten Abgasturboladern ein Verschlussorgan, das insbesondere als Verschlussklappe ausgeführt sein kann, im Abgasstrom vorgesehen. Das Verschlussorgan, das häufig auch als Waste-Gate-Ventil bezeichnet wird, ist dazu in der Lage, die Abgasströmung durch die Turbine des Abgasturboladers beziehungsweise zumindest teilweise durch den Bypass an der Turbine vorbei zu regulieren. Bei einem voreingestellten Ladedruck wird das Verschlussorgan durch einen Aktuator auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann zumindest einen Teil der Abgase an der Turbine vorbei direkt in ein Abgassystem, so dass ein weiterer Anstieg der Turbinendrehzahl verhindert werden kann. Der Durchgang durch den Bypasskanal bei geöffnetem Verschlussorgan ermöglicht es somit, überschüssige Abgasmengen, die zum Antrieb der Turbine des Abgasturboladers nicht benötigt werden, ungenutzt in das Abgassystem zu lenken. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann als Verschlussorgan eine schwenkbare Verschlussklappe eingesetzt werden. In der Schließstellung, in der die Verschlussklappe den Bypasskanal vollständig verschließt, wird die Verschlussklappe von dem Aktuator, der über ein Betätigungselement mit der Verschlussklappe gekoppelt ist, kraftschlüssig an einen Anschlag gedrückt, der so ausgebildet ist, dass er den Bypasskanal zusammen mit der Verschlussklappe abdichten kann.
Zur Betätigung der Verschlussklappe werden im Stand der Technik in der Regel pneumatische Aktuatoren eingesetzt. Dabei dient zumeist der verdichterseitig aufgebaute Ladedruck als pneumatische Hilfsenergie zum Öffnen des Verschlussorgans mit Hilfe des pneumatischen Aktuators.
Diese pneumatischen Aktuatoren als Stellantriebe für das Verschlussorgan sind intern häufig mit einem Federelement ausgestattet, welches die Stellkraft des Aktuators in die eine oder andere Verstellrichtung unterstützen kann. Zur Positionierung des Klappenstellung der Verschlussklappe ist ein pulsweitenmoduliertes Taktventil vorgesehen, welches den am Aktuator anliegenden Überdruck auf ein bestimmtes, für die jeweilige Position notwendiges Maß skalieren kann. Das gesamte System ist eigensicher ausgeführt. Das bedeutet, dass der Aktuator die Verschlussklappe öffnet, wenn der Druck auf der Verdichterseite einen bestimmten Maximalwert überschreitet. Pneumatische Aktuatoren sind zwar relativ preiswert, weisen aber auf Grund ihrer systembedingten Elastizitäten Probleme in Bezug auf ihre Stellgeschwindigkeit und ihre Stellgenauigkeit auf.
Die DE 10 2008 014 609 A1 offenbart einen Aktuator für ein Schaltelement einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem ein elektromotorischer Stellantrieb über ein Getriebe auf das Schaltelement wirkt. Das Getriebe weist ein elastisches Element auf, welches die maximalen Kräfte oder Momente auf das Schaltelement in wenigstens einer Stellrichtung begrenzen kann.
Die DE 10 2007 039 218 A1 offenbart einen Aktuator für ein Waste-Gate einer Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mit zwei Druckkammern und einem Trennelement, welches die beiden Druckkammern voneinander trennt und einer das Trennelement mit einer Kraft beaufschlagenden, in der zweiten Druckkammer angeordneten Feder. Ein Betätigungselement verbindet das Trennelement mit dem Waste-Gate und überträgt so eine Bewegung des Trennelements auf das Waste-Gate. Dabei beaufschlagt die Feder das Trennelement in Schließrichtung des Waste-Gates mit einer Kraft.
Der Umstand, dass zur Ansteuerung des Aktuators stets der turboeigene Ladedruck verwendet wird, schränkt systembedingt die Betätigung des Verschlussorgans auf diejenigen Betriebsbereiche ein, in denen der notwendige Ladedruck überhaupt zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass das Bypassventil nicht in jedem Betriebszustand geöffnet werden kann, so dass es auch nicht möglich ist, in jedem Betriebszustand die größtmögliche Kraftstoffeffizienz zu erzielen.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, einen Aktuator für einen ein gasförmiges Medium führenden Druckkanal, insbesondere für ein Verschlussorgan eines Bypasskanals eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine, zur Verfügung zu stellen, der eine höhere Verstellgeschwindigkeit und eine höhere Verstellgenauigkeit aufweist und der darüber hinaus hohe Kräfte über einen vergleichsweise großen Stellbereich bei einer gleichzeitig niedrigen Stromaufnahme liefern kann.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Aktuator der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Aktuator für ein Verschlussorgan eines ein gasförmiges Medium führenden Druckkanals zeichnet sich dadurch aus, dass der elektromotorische Stellantrieb und das Federkraftspeichermittel so ausgebildet sind, dass über das Kopplungsmittel an dem Verschlussorgan ein nichtlinearer, von der jeweiligen Stellung des Verschlussorgans abhängiger Kraftverlauf erzeugt werden kann. Der erfindungsgemäße Aktuator ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Betätigung des Verschlussorgans, das vorzugsweise eine Verschlussklappe umfasst, in jedem Betriebszustand, und zwar unabhängig vom Druck, der auf das Verschlussorgan einwirkt. Der erfindungsgemäße Aktuator ist insbesondere für ein Verschlussorgan eines Bypasskanals eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine geeignet. Dieser Aktuator erlaubt insbesondere eine kraftstoffeffizientere Betriebsweise des Abgasturboladers. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Aktuators ergeben sich durch eine höhere Verstellgeschwindigkeit im Vergleich zu pneumatischen Systemen sowie durch einen damit einhergehenden schnelleren Ladedruckaufbau sowie durch eine höhere Stellpräzision. Mittels des erfindungsgemäßen Aktuators ist es möglich, dass das Verschlussorgan auch bei hohen Abgasgegendrücken in der Geschlossenstellung gehalten werden kann. Da selbst kleinste Undichtigkeiten und Leckströmungen an dem Verschlussorgan die gewünschte Drehmomentcharakteristik einer mit einem Abgasturboladers ausgestatteten Verbrennungsmaschine zusammenbrechen lassen, ist eine möglichst große realisierbare Zuhaltekraft in der praktischen Anwendung von besonderer Wichtigkeit.
Das Federkraftspeichermittel kann insbesondere als Druckfeder, Zugfeder, Schenkelfeder, Blattfeder oder dergleichen ausgeführt sein.
Vorzugsweise können der elektromotorische Stellantrieb, der insbesondere einen Gleichstrommotor umfassen kann, und das Federkraftspeichermittel so ausgebildet sind, dass der Bereich der größten Stellkräfte in einem Arbeitsbereich von 0 bis etwa 20% des Stellweges des Verschlussorgans erzeugt werden kann. Dieser relativ große Bereich, in dem hohe Stellkräfte zur Verfügung gestellt werden, ist durch die große Wärmeausdehnung des Verschlussorgans, durch einen verschleißbedingten Vorhalt der Toleranzen von etwa 5% und durch die Druckabfallkennlinie der Gasströmung bedingt. Bei hohen Einsatztemperaturen von bis zu 160°C verschärfen sich die Probleme der hohen Stellkräfte. Der Gleichstrommotor des elektromotorischen Stellantriebs muss die durch den eigenen Stromfluss dissipierte elektrische Leistung als Wärmeströmung an eine Umgebung von 160°C abgeben können. Um diesem Problem zu begegnen, kann der Aktuator in vorteilhafter Weise hohe Kräfte über einen vergleichsweise großen Stellbereich zusammen mit einer vergleichsweise geringen Stromaufnahme liefern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der elektromotorische Stellantrieb ein Abtriebsrad mit einem exzentrisch daran angeordneten Mitnehmer umfasst, der an das Kopplungsmittel angeschlossen ist und über ein Kraftübertragungsmittel mit dem Federkraftspeichermittel gekoppelt ist.
Vorzugsweise kann das Kraftübertragungsmittel so ausgebildet sein, dass das am Abtriebsrad wirkende Drehmoment in Abhängigkeit von der Position des Mitnehmers in Bezug auf das Kraftübertragungsmittel variierbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass das Kraftübertragungsmittel einen Druckbalken umfasst, der insbesondere um eine Schwenkachse schwenkbar sein kann. Dadurch kann eine besonders robuste Ausgestaltung des Kraftübertragungsmittels erreicht werden. Um die Anzahl der Bauteile des Aktuators zu verringern und dadurch Herstellungskosten einsparen zu können, kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Druckbalken integral mit dem Federkraftspeichermittel ausgebildet ist. So ist es zum Beispiel möglich, eine Blattfeder mit einer entsprechenden, als Druckbalken wirkenden Profilierung oder eine Schenkelfeder mit einer speziell profilierten, als Druckbalken wirkenden Verlängerung an einem der Schenkel zu verwenden.
Damit insgesamt ein stromsparender Betrieb mit geringer Erwärmung erreicht werden kann, ist es vorteilhaft, die Auslegung der Federkraft nicht nur für einen einzigen Arbeitspunkt anzupassen, sondern diese Auslegung für den gesamten Stellbereich des Verschlussorgans vorzunehmen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Druckbalken eine Konturfläche aufweisen, deren Kontur an einen mit dem Kraftverlauf korrespondierenden Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Drehstellung des Abtriebsrades angepasst ist. Während der Drehung des Abtriebsrades läuft der Mitnehmer die Konturfläche entlang, so dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Mitnehmers ein nichtlinearer Drehmomentverlauf erhalten werden kann. Zur Anpassung der resultierenden, nichtlinearen Federkraft an den gewünschten Drehmomentverlauf ist somit ein System aus einem spezifisch konturierten, mit der Federkraft des Federkraftspeichermittels beaufschlagten Druckbalkens und dem Mitnehmer am Abtriebsrad, welcher sich bei einer motorinduzierten Drehung des Abtriebsrades entlang der Konturfläche bewegt, besonders vorteilhaft.
Idealerweise sollte der Aktuator so ausgebildet sein, dass die Federunterstützung im Aktuator die von außen anliegenden Gaskräfte in jeder Stellposition der Verschlussorgans kompensieren kann, so dass der elektromotorische Stellantrieb nur sehr geringe Ströme zum Positionieren beziehungsweise Halten des Verstellorgans benötigt. Dieser Ansatz ist natürlich sehr stark idealisiert und vereinfacht, da die äußeren, auf das Verschlussorgan wirkenden Gaskräfte gewissen Schwankungen unterliegen können und somit nicht immer konstant sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, dass das Federkraftspeichermittel auf die im Mittel auf das Verstellorgan wirkenden Gaskräfte angepasst ist. Eine derartige Anpassung der Federkraft auf die mittleren Gaskräfte ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Motorstrom in beiden Richtungen minimiert werden kann. Ein Großteil der resultierenden Kraft wird vom Federkraftspeichermittel zur Verfügung gestellt, wohingegen ein wesentlich kleinerer Anteil vom elektromotorischen Stellantrieb geliefert wird.
Vorzugsweise ist der Stellantrieb in einem Gehäuse aus einem wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere in einem Aluminiumgehäuse, untergebracht, um eine gute Wärmeableitung während des Betriebs des Aktuators zu gewährleisten. Um die Wärmeableitung am Motorgehäuse und insbesondere an den Motorlagern des Gleichstrommotors weiter zu verbessern, weist der Stellantrieb vorteilhaft einen entsprechend angepassten Sitz für den Gleichstrommotor auf. Eine Wärmeleitverbindung zwischen dem Gleichstrommotor und dem Gehäuse des Stellantriebs wird vorzugsweise mittels einer Presspassung, einer kraftschlüssigen Verbindung und/oder einem Wärmeleitmedium (beispielsweise durch ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste) realisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stellantrieb ein Positionssensormittel aufweist, mittels dessen die Drehstellung des Abtriebsrads erfasst werden kann.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematisch stark vereinfachte Funktionsdarstellung eines Aktuators für ein Verschlussorgan eines ein gasförmiges Medium führenden Druckkanals gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung des Aktuators, der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
3 eine grafische Darstellung des Kraft- und Momentenverlaufs, der während des Betriebs des Aktuators an dem Verschlussorgan beziehungsweise an einem Abtriebsrad des Aktuators auftritt.
Unter Bezugnahme auf 1 soll nachfolgend das grundlegende Funktionsprinzip eines Aktuators 1 für ein Verschlussorgan 2 eines ein gasförmiges Medium führenden Druckkanals näher erläutert werden. Das Verschlussorgan 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Bypass-Ventil (auch Waste-Gate-Ventil genannt) für einen Bypasskanal eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine. Das Verschlussorgan 2 ist auf der Abgasseite des Abgasturboladers angeordnet und ist dazu in der Lage, den Bypasskanal für eine Abgasturbine des Abgasturboladers wahlweise zu öffnen und wieder zu schließen.
Das Verschlussorgan 2 umfasst eine Verschlussklappe 20, die um eine Schwenkachse 21 verschwenkt werden kann. In der Verschlussstellung schließt die Verschlussklappe 20 mit einer in 1 horizontal dargestellten 0°-Bezugslinie einen Winkel von 90° ein. Das Verschlussorgan 2 ist dazu in der Lage, die Abgasströmung durch die Turbine des Abgasturboladers beziehungsweise zumindest teilweise durch den Bypasskanal an der Turbine vorbei zu regulieren. Bei einem voreingestellten Ladedruck wird das Verschlussorgan 2 durch den Aktuator 1 auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann zumindest einen Teil der Abgase an der Turbine vorbei direkt in ein Abgassystem, so dass ein weiterer Anstieg der Turbinendrehzahl verhindert werden kann. Der Durchgang durch den Bypasskanal bei geöffnetem Verschlussorgan 2 ermöglicht es somit, überschüssige Abgasmengen, die zum Antrieb der Turbine des Abgasturboladers nicht benötigt werden, ungenutzt in das Abgassystem zu lenken. In der Schließstellung, in der die Verschlussklappe 20 den Bypasskanal vollständig verschließt, wird die Verschlussklappe 20 von dem Aktuator 1, der ein Kopplungsmittel 4 aufweist, mittels dessen er mit der Verschlussklappe 20 mechanisch gekoppelt ist, kraftschlüssig an einen Anschlag gedrückt. Der Anschlag ist so ausgebildet, dass er im Zusammenwirken mit der Verschlussklappe 20 den Bypasskanal wirksam abdichten kann.
Wenn das Verschlussorgan 2 geöffnet werden soll, wird die Verschlussklappe 20 um die Schwenkachse 21 in Pfeilrichtung zum Beispiel in die in 1 gezeigte Schwenkposition verschwenkt. In dieser Stellung können die Abgase zumindest teilweise durch den dann freigegebenen Bypasskanal unter Umgehung der Turbine des Abgasturboladers in das Abgassystem einströmen. Die Strömungsrichtung der Abgase ist in 1 ebenfalls durch einen Pfeil symbolisiert. Die Strömung der Abgase beaufschlagt die Verschlussklappe 20 somit derart mit einer Kraft, dass die Verschlussklappe 20 in ihre geöffnete Stellung gezwungen werden soll. Mit Hilfe des Aktuators 1 kann die Verschlussklappe 20 einerseits in ihrer Schließstellung gehalten werden und andererseits gesteuert in eine geöffnete Stellung verschwenkt werden.
Der Aktuator 1 weist einen elektromotorischen Stellantrieb 3 auf, der über das Kopplungsmittel 4 mechanisch mit der Verschlussklappe 20 des Verschlussorgans 2 gekoppelt ist. Der Aktuator 1 ist so ausgebildet, dass er über das Kopplungsmittel 4 einen Gegendruck auf die Verschlussklappe 20 ausüben kann, sodass ein ungewolltes Öffnen der Verschlussklappe 20 wirksam verhindert werden kann. Darüber hinaus kann die Verschlussklappe 20 mit Hilfe des Aktuators 1 gesteuert geöffnet werden, so dass zumindest ein Teil der Abgase unter Umgehung der Turbine in den Bypasskanal einströmen kann.
Der elektromotorische Stellantrieb 3 des Aktuators 1 umfasst unter weiterer Bezugnahme auf 2 einen hier nicht explizit dargestellten Gleichstrommotor (DC-Motor), ein Getriebemittel 30 und ein drehbares Abtriebsrad 31, an dem ein Mitnehmer 32 exzentrisch angeordnet ist. Das Getriebemittel 30, das vorzugsweise ein dreistufiges Stirnradgetriebe ist, überträgt die Motorkraft des Gleichstrommotors auf das Abtriebsrad 31. Das Kopplungsmittel 4 zum Betätigen der Verschlussklappe 20 ist an den Mitnehmer 32 angeschlossen und kann insbesondere ein Kopplungsgestänge umfassen.
Vorzugsweise ist der Stellantrieb 3 in einem Gehäuse aus einem wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere in einem Aluminiumgehäuse, untergebracht, um eine gute Wärmeableitung während des Betriebs des Stellantriebs 3 zu gewährleisten. Um die Wärmeableitung am Motorgehäuse und insbesondere an den Motorlagern des Gleichstrommotors weiter zu verbessern, weist der Stellantrieb 3 vorzugsweise einen entsprechend angepassten Sitz für den Gleichstrommotor auf. Eine Wärmeleitverbindung zwischen dem Gleichstrommotor und dem Gehäuse des Stellantriebs 3 wird vorzugsweise mittels einer Presspassung, einer kraftschlüssigen Verbindung und/oder einem Wärmeleitmedium (beispielsweise durch ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste) realisiert.
Der elektromotorische Stellantrieb 3 des Aktuators 1 wird vorliegend von einer Federkraft unterstützt. Der Aktuator 1 umfasst zu diesem Zweck ein Federkraftspeichermittel 5, das insbesondere in Form einer Druckfeder, Zugfeder, Schenkelfeder, Blattfeder oder dergleichen ausgeführt sein kann. Die Federkraft des Federkraftspeichermittels 5 wirkt über ein Kraftübertragungsmittel auf den Mitnehmer 32 des Abtriebsrads 31. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Kraftübertragungsmittel als Druckbalken 6 ausgebildet, der um eine Drehachse 60 drehbar ist. Über den Druckbalken 6 wird die Kraft des Federkraftspeichermittels 5 auf den Mitnehmer 32 des Abtriebsrades 31, der seinerseits über das Kopplungsmittel 4 mit der Verschlussklappe 20 gekoppelt ist, übertragen. Der Druckbalken 6 ist derart profiliert, dass er am Abtriebsrad 31 einen spezifischen Drehmomentverlauf erzeugt, auf den weiter unten noch näher eingegangen werden wird.
Der Drehmomentverlauf ist an den zur Betätigung der Verschlussklappe 20 erforderlichen Kraftverlauf angepasst und vorzugsweise so eingestellt, dass er die mittleren Gaskräfte der Abgase, die in der oben beschriebenen Weise auf die Verschlussklappe 20 wirken und versuchen, diese in ihre geöffnete Stellung zu bewegen, kompensieren kann, so dass der Gleichstrommotor des elektromotorischen Stellantriebs 3 nur relativ geringe Ströme zum Verfahren und Halten der Verschlussklappe 20 benötigt. Auf Grund der niedrigen Stromaufnahme kann die Wärmeentwicklung während des Betriebs des Gleichstrommotors in überaus vorteilhafter Weise verringert werden. Vorzugsweise umfasst der Stellantrieb 3 ein Positionssensormittel, mittels dessen die Drehstellung des Abtriebsrads 31 erfasst werden kann.
Der Gleichstrommotor kann in zwei entgegengesetzten Drehrichtungen betrieben werden, so dass der Mitnehmer 32 aus einer in 2 mit „Start” bezeichneten Startposition in eine mit „Stop” bezeichnete Endposition und wieder zurück überführt werden kann. Der Druckbalken 6, mittels dessen die Kraft des Federkraftspeichermittels 5 auf den Mitnehmer 32 des Abtriebsrades 31 übertragen wird, weist eine Konturfläche 61 auf, die so konturiert ist, dass der in 3 gezeigte Drehmomentverlauf erhalten werden kann. Die Drehung des Abtriebsrades 31 von der Startposition des Mitnehmers 32 in dessen Endposition erfolgt in Pfeilrichtung (gemäß dieser zeichnerischen Perspektive also im Uhrzeigersinn). Ausgehend von der Startposition des Mitnehmers 32 weist die Konturfläche 61 des Druckbalkens 6 zunächst einen ebenen Konturverlauf auf. Wird die Hälfte des möglichen Drehwinkels des Abtriebsrades 31 überschritten, ist der Konturverlauf der Konturfläche gekrümmt. Diese besondere Formung der Konturfläche 61 des Druckbalkens 6 führt zu dem spezifischen Drehmomentverlauf, der in 3 dargestellt ist.
In 3 sind die Kraft- und Drehmomentverhältnisse während des Öffnens der Verschlussklappe 20 des Verschlussorgans 2 dargestellt. Gezeigt sind das Drehmoment M_Akt in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Mitnehmers 32 auf dem Abtriebsrad 31 sowie die über das Kopplungsmittel 4 auf die Verschlussklappe 20 effektiv wirkende Kraft F_WG in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Verschlussklappe 20. Es wird deutlich, dass in der Schließstellung und bis zu einer Winkelposition der Verschlussklappe 20 von etwas weniger als 85° (die Schließposition wurde oben bereits als 90°-Stellung definiert) eine im Wesentlichen konstante Kraft (gewissermaßen ein Kraftplateau) von etwas mehr als 300 N über das Kopplungsmittel 4 auf die Verschlussklappe 20 wirkt. Dieses ist der Bereich der größten Stellkräfte. Dieser relativ große Winkelbereich, in dem die größten Stellkräfte als Zuhaltekräfte auf die Verschlussklappe 20 wirken, begründet sich durch die hohe Wärmeausdehnung der Verschlussklappe 20, durch einen verschleißbedingten Vorhalt von Toleranzen in einer Größenordnung von etwa 5% sowie durch die Druckabfallkennlinie der Abgasströmung.
Bei einer weiteren Vergrößerung des Verstellwinkels verringert sich die auf die Verschlussklappe 20 wirkende Kraft im Wesentlichen linear bis zu einer Winkelstellung von etwa 65°. Die resultierende Kraft, die auf die Verschlussklappe 20 wirkt, ist dann etwas kleiner als 50 N. Wird der Verstellwinkel weiter vergrößert, bleibt die Kraft nahezu konstant. Bis zu einem Verstellwinkel von 40° steigt die Kraft graduell auf etwas mehr als 50 N an.
Der Drehmomentverlauf am Abtriebsrad 31 ist nichtlinear. Wenn sich die Verschlussklappe 20 in ihrer Schließposition (150°-Position des Mitnehmers 32) befindet, wirkt ein Drehmoment von etwa 2 Nm. Wenn die Verschlussklappe 20 verschwenkt und damit der Bypasskanal geöffnet werden soll, wird der elektromotorische Stellantrieb 3 aktiviert und das Drehmoment des Aktuators 1, das über den Mitnehmer 32 auf das Kopplungsmittel 4 wirkt, steigt bis zu einem Verstellwinkel des Abtriebsrades 31 des Aktuators 1 von etwas weniger als 130° auf seinen Maximalwert von etwas mehr als 3 Nm an. Anschließend fällt das Drehmoment kontinuierlich auf etwas mehr als 0,5 Nm bei einem Verstellwinkel des Abtriebsrades 31 von 90° ab. Während des Anstiegs und nachfolgenden Abfalls des Drehmoments bewegt sich der Mitnehmer 32 zunächst entlang des ebenen Verlaufs der Konturfläche 61. Bei einer weiteren Vergrößerung des Verstellwinkels bis hin zu einer 45°-Position bleibt das Drehmoment nahezu konstant. Der Mitnehmer 32 bewegt sich dabei den gekrümmten Konturverlauf der Konturfläche 61 des Druckbalkens 6 entlang. Diese Krümmung des Konturverlaufs lenkt im Ergebnis die Kraft auf den Mittelpunkt des Abtriebsrades 31.
Der Aktuator 1 ist mechanisch so ausgeführt, dass das Federkraftspeichermittel 5 im Idealfall die von außen auf die Verschlussklappe 20 wirkenden Gaskräfte in jeder Stellposition kompensieren kann. Der Gleichstrommotor des elektromotorischen Stellantriebs 3 benötigt dann nur geringste Ströme zum Positionieren und Halten der Verschlussklappe 20. Dieser Ansatz ist natürlich stark idealisiert, da insbesondere die äußeren Gaskräfte, die auf die Verschlussklappe 20 einwirken, schwanken können. Daher wird der Aktuator 1 vorzugsweise auf die im Mittel wirkenden Gaskräfte ausgelegt. Das Federkraftspeichermittel 5 ist also mit anderen Worten auf die im Mittel wirkenden Gaskräfte ausgelegt, so dass der für den Betrieb des Gleichstrommotors benötigte Motorstrom in beiden Richtungen minimiert ist. Der nichtlineare Drehmomentverlauf am Abtriebsrad 31, der durch die interne Federkraft des Federkraftspeichermittels 5 hervorgerufen wird, ermöglicht eine passende Auslegung der resultierenden Kraft über den gesamten Verstellbereich der Verschlussklappe 20. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein stromsparender Betrieb des Gleichstrommotors ermöglicht werden, der nur zu geringen Erwärmungen führt. Vorzugsweise resultieren 70% des Kraft- beziehungsweise Momentenverlaufs aus der Federkraft des Federkraftspeichermittels 5. Die übrigen etwa 30% werden durch den Gleichstrommotor des elektromotorischen Stellantriebs 3 bewirkt. Dadurch können die Motorströme in vorteilhafter Weise gering gehalten werden.
Um die Anzahl der Bauteile des Aktuators 1 zu verringern und dadurch Herstellungskosten einsparen zu können, kann vorgesehen sein, dass der Druckbalken 6 integral mit dem Federkraftspeichermittel 5 ausgebildet ist. So ist es zum Beispiel möglich, eine Blattfeder mit einer entsprechenden, als Druckbalken 6 wirkenden Profilierung oder eine Schenkelfeder mit einer speziell profilierten, als Druckbalken 6 wirkenden Verlängerung an einem der Schenkel zu verwenden.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Verschlussorgan
3: elektromotorischer Stellantrieb
4: Kopplungsmittel
5: Federkraftspeichermittel
6: Druckbalken
20: Verschlussklappe
21: Schwenkachse
30: Getriebemittel
31: Abtriebsrad
32: Mitnehmer
60: Drehachse
61: Konturfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008014609 A1 [0005]
DE 102007039218 A1 [0006]

Claims

Aktuator (1) für ein Verschlussorgan (2) eines ein gasförmiges Medium führenden Druckkanals, insbesondere für ein Verschlussorgan (2) eines Bypasskanals eines Abgasturboladers einer Verbrennungsmaschine, umfassend – einen elektromotorischen Stellantrieb (3), – ein Kopplungsmittel (4), mittels dessen der elektromotorische Stellantrieb (3) mit dem Verschlussorgan (2) gekoppelt ist, und – ein Federkraftspeichermittel (5), wobei mittels des elektromotorischen Stellantriebs (3) und des Federkraftspeichermittels (5) eine Kraft erzeugbar ist, die über das Kopplungsmittel (4) entgegen des Strömungsdrucks des gasförmigen Mediums auf das Verstellorgan (2) wirken kann, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Stellantrieb (3) und das Federkraftspeichermittel (5) so ausgebildet sind, dass über das Kopplungsmittel (4) an dem Verschlussorgan (2) ein nichtlinearer, von der jeweiligen Stellung des Verschlussorgans (2) abhängiger Kraftverlauf erzeugt werden kann.
Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Stellantrieb (3) und das Federkraftspeichermittel (5) so ausgebildet sind, dass der Bereich der größten Stellkräfte in einem Arbeitsbereich von 0 bis etwa 20% des Stellweges des Verschlussorgans (2) erzeugt werden kann.
Aktuator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Stellantrieb (3) ein Abtriebsrad (31) mit einem exzentrisch daran angeordneten Mitnehmer (32) umfasst, der an das Kopplungsmittel (4) angeschlossen ist und über ein Kraftübertragungsmittel mit dem Federkraftspeichermittel (5) gekoppelt ist.
Aktuator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsmittel so ausgebildet ist, dass das am Abtriebsrad (31) wirkende Drehmoment in Abhängigkeit von der Position des Mitnehmers (32) in Bezug auf das Kraftübertragungsmittel variierbar ist.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsmittel einen Druckbalken (6) umfasst.
Aktuator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbalken (6) um eine Schwenkachse (60) schwenkbar ist.
Aktuator (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbalken (6) eine Konturfläche (61) aufweist, deren Kontur an einen mit dem Kraftverlauf korrespondierenden Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Drehstellung des Abtriebsrades (31) angepasst ist.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbalken (6) integral mit dem Federkraftspeichermittel (5) ausgebildet ist.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federkraftspeichermittel (5) auf die im Mittel auf das Verstellorgan (2) wirkenden Kräfte des gasförmigen Mediums angepasst ist.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (3) in einem Gehäuse aus einem wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere in einem Aluminiumgehäuse, untergebracht ist.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (3) ein Positionssensormittel aufweist, mittels dessen die Drehstellung des Abtriebsrads (31) erfasst werden kann.