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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Turbolader für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Turbinen, die mit einem Auslass-Ladedruckregelventil, gemeinhin auch als „Wastegate” bezeichnet, ausgestattet sind.
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Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Steller, die verwendet werden, um diese Ladedruckregelventile zu steuern und damit den Gasdruck in der Turbine zu regeln.
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Früherer Stand der Technik
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Die Arbeiten zur Verbesserung der Turbolader von Kraftfahrzeugmotoren haben zur Verwendung von Ladedruckregelventilen geführt, die es erlauben, den Versorgungsdruck durch Anpassung der durch die Turbine strömende Abgasmenge besser zu steuern. Dadurch kann vor allem das Moment im unteren Drehzahlbereich erhöht und manchmal der Kraftstoffverbrauch verringert werden.
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Diese Ladedruckregelventile, auf Englisch auch „waste gate” genannt, die die kurzgeschlossene Gasfraktion des Verdichtersystems regeln, arbeiten mit einem Ventil, das von einem Dreh- oder linearen Steller gesteuert wird.
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Für diese Steller findet man pneumatische Lösungen, die im Hinblick auf Kosten und Platzbedarf interessant sind. Hier wäre insbesondere das deutsche Patent
DE 10 2006 055 818 A1 zu nennen, das eine derartige Lösung vorschlägt.
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Allerdings sind diese Lösungen, die auf pneumatischen, einfach gegen eine Feder wirkenden Zylindern basieren, positionsmäßig weniger leicht zu steuern als Lösungen mit Elektromotoren, die heute wegen der hohen Leistungen, die von diesen Systemen erwartet werden, vorgezogen werden.
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Der Steller, der das Ladedruckregelventil steuert, muss einerseits die Positionierung der Ventilklappe gewährleisten, um den Gasdurchsatz zu regeln, und andererseits in der Lage sein, in Verschlussstellung eine große Haltekraft auszuüben, um eine maximale Abdichtung zu erreichen.
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Dieser Steller muss es ebenfalls erlauben, die Ventilklappe während sehr langer Zeiträume vollständig geöffnet zu halten, zum Beispiel wenn das Fahrzeug mit gleichbleibender Geschwindigkeit mit hoher Drehzahlen fährt, oder bei einem Kaltstart.
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Darüber hinaus ist es notwendig, über ein Organ zu verfügen, das die Ventilklappe in Referenzstellung zurückholt, um den Zustand des Ventils beim Halt des Fahrzeugs zu steuern. Hierbei handelt es sich um ein „fail safe”-System, das häufig mit einer Feder umgesetzt wird, die direkt auf die Ventilklappe einwirkt.
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Aus den vorstehenden Gründen ist das zur Steuerung dieser Systeme erforderliche Moment groß, und die elektrischen Steller, die die Ladedruckregelventile ausrüsten, bestehen im Allgemeinen aus einem Gleichstrommotor in Verbindung mit einem mechanischen Reduktionsgetriebe.
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In diesen Fällen treibt der Getriebemotor häufig die Ventilklappe in Richtung Öffnen an, wobei er dabei gegen das Rückholmoment wirkt, das von einer Feder erzeugt wird, die darauf abzielt, die Klappe in die geschlossene Stellung zurückzuführen, die die Referenzstellung darstellt.
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Diese Lösung des Standes der Technik entspricht der Konfiguration, die in dem deutschen Patent (
DE 10 2008 022 468 A1 ) beschrieben wird.
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Die Gleichstrom-Getriebemotoren weisen jedoch die folgenden erheblichen Nachteile auf:
- – Die Stromversorgung der Wicklung erfolgt durch Bürsten, die über einen Kollektor reiben. Diese Lösung, die breit angewendet und für rotierende Antriebsanwendungen über lange Zyklen zuverlässig ist, stellt ein Risiko dar, sobald es sich um Positionierungsanwendungen handelt. Erfolgt nämlich die Positionierung zwischen zwei festen mechanischen Endlagen, kann es auf denselben Kollektorabschnitten wiederholt zu Lichtbögen kommen, der sich dadurch schnell abnutzt, wodurch die Lebensdauer der Lösung verkürzt wird.
- – Das mit dem Motor verbundene Getriebevorgelege, das notwendig ist, um das erforderliche Momentniveau zu erreichen, besitzt viele Zahnritzel und Führungsstifte, die aufgrund der wiederholten Stopps an den Endlagen des Ventils ebenfalls lokal beansprucht werden und einen höheren Verschleiß in diesen Bereichen aufweisen. Durch diesen Verschleiß werden die Positionierungsgenauigkeit und vor allem das Momentniveau, das in der Endlage, beim Schließen des Ventils, zur Anwendung kommt, beeinträchtigt, wodurch sich in der Folge die Dichtigkeit des Ventils verringert.
- – Die Umgebung, die im Hinblick auf Temperaturen und Vibrationen sehr schwierig ist, bewirkt ebenfalls, dass die Bauteile des Getriebevorgeleges verschleißen, wobei durch diesen Verschleiß die Genauigkeit und die Lebensdauer derartiger Lösungen begrenzt werden.
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Darüber hinaus findet man nach dem Stand der Technik Stelllösungen für Ladedruckregelventile, die mit Solenoiden arbeiten. Hier wären beispielsweise die Patente
US 20060064980 A1 und
DE 10 2008 011 613 A1 zu nennen. Diese Lösungen sind interessant, da sie auf einem direkten Antrieb ohne mechanische Verstärkungsorgane basieren, die Verschleiß ausgesetzt sind.
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Diese Art Direktantrieb besitzt also eine höhere Zuverlässigkeit gegenüber Vibrationen. Leider sind diese Solenoide auf Leistungsebene enttäuschend, und das für ein Ladedruckregelventil erforderliche Kraftniveau verlangt große, schwere und kostenintensive Steller. Darüber hinaus ist eine präzise Positionseinstellung mit diesem Stellertyp schwierig.
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Es kann ein dritter Stellertyp mit der Bezeichnung „Drehmomentmotor” verwendet werden. Dieser Steller besteht aus einem einen multipolaren Dauermagneten tragenden Rotor, der vor einem Stator rotierend bewegbar ist, der mit gewickelten Polen ausgerüstet und in einem starren Kunststoffgehäuse untergebracht ist.
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Es handelt sich um einen Magnetsteller mit Direktantrieb ohne Bewegungsreduzierungskinematik, aber mit einer höheren Masseenergie als Elektromagnete. Dieser Stellertyp, dessen Konstruktion in dem französischen Patent
FR2670629 detailliert beschrieben ist, wird in schwierigen Arbeitsumfeldern geschätzt, da er eine hervorragende Zuverlässigkeit sowie eine gute Wärmeableitung aufweist.
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Diese Drehmomentmotoren stellen typischerweise ein Moment bereit, das proportional zum eingespeisten Strom ist und können über einen Drehwinkelsensor verfügen, der es erlaubt, das Schließen der Ventilklappe präzise zu steuern.
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Auch wenn dieser Stellertyp viele Vorzüge im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Kompaktheit, Masse oder auch leichte Steuerbarkeit aufweist, weist er auch die folgenden Beschränkungen auf:
- – Durch das Fehlen eines mechanischen Reduziergetriebes wird das kontinuierlich bei schwachen Strömen verfügbare Momentniveau begrenzt, wobei diese Ströme auch durch die Erhöhung des elektrischen Widerstands wegen erhöhter Umgebungstemperatur in der Nähe des Ladedruckregelventils reduziert werden.
- – Der Wert des verfügbaren Moments fällt ab, wenn sich die Winkelstellung des Rotors seiner Endlage nähert, und zwar für seine beiden Bewegungsrichtungen. Das bedeutet konkret, dass es schwierig ist, die Ventilklappe durch starken Druck auf dieselbe in geschlossener Stellung zu halten, um die geforderte Dichtigkeit zu gewährleisten.
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Natürlich könnte man eine leistungsfähige Rückholfeder verwenden, die mit dem Motormoment gemeinsam wirkt, um in geschlossener Klappenstellung ein großes Moment auszuüben, wie das bei Lösungen mit Gleichstrom-Getriebemotoren der Fall ist.
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Das Problem besteht darin, dass der Drehmomentmotor dann dieselbe Feder überwinden muss, um das Öffnen der Klappe ohne den Vorteil einer mechanischen Reduzierung zu gewährleisten. Allerdings wird es für den Drehmomentmotor zunehmend schwieriger, den wachsenden Widerstand der Feder auf den Lauf zu überwinden, je mehr sein inhärentes Moment mit zunehmender Verschiebung abnimmt.
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Die Verwendung einer Feder, um die Klappe in ihre geschlossene Stellung zu führen, erlaubt nicht, gleichzeitig ein hohes Moment in geschlossener Stellung der Klappe in Richtung Schließen zu gewährleisten und gleichzeitig ein hohes Moment in geöffneter Stellung in Richtung Öffnen zu garantieren.
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Das Steuern des Ladedruckregelventils, das am Ende der Bewegung in die Richtungen des Öffnens und des Schließens ein starkes Moment benötigt, ist für den Drehmomentmotor eine ungünstige Anwendung, der am Ende des Wegs aufgrund der Sättigung des Magnetkreises des Stators nur wenig Kraft zur Verfügung stellt.
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Die Lösung des Drehmomentmotors in der vorhandenen Form stellt, obwohl wegen ihrer Robustheit und Kompaktheit verführerisch, keine ideale Lösung dar, um ein Ladedruckregelventil zu steuern, da sie einen großen Magneten erforderlich macht und demzufolge hohe Kosten verursacht.
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Abschließend kann festgestellt werden, dass die vorhandenen Lösungen für die Betätigung von Ladedruckregelventilen entweder Mängel im Hinblick auf Zuverlässigkeit oder Leistungsfehler hinsichtlich Kraft, Moment oder Kosten aufweisen, um auf zufrieden stellende Weise dem Bedarf dieser Anwendung entsprechend zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt auf die Überwindung der Nachteile der bekannten Lösungen ab.
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Aufgaben der Erfindung werden von einen Ladedruckregelventil für Turbolader mit elektrischem Steller nach Anspruch 1 erfüllt.
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Beschrieben wird hier ein Ladedruckregelventil für Turbolader, das einen elektrischen Drehsteller, der einen Rotor und einen Stator aufweist, eine von diesem Steller angetriebene Ventilklappe, ein elastisches Rückholsystem der Ventilklappe, das imstande ist, bei Verschiebung des Rotors eine Kraft gemäß einer im Verhältnis zur Drehachse des Stellers variablen Richtung zu liefern, umfasst.
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Die Wirkrichtung des elastischen Rückholsystems schneidet in vorteilhafter Weise bei Bewegung des Rotors die Drehachse des Drehstellers. Diese Lösung erlaubt, eine voll geöffnete Stellung des Ventils aufrechtzuerhalten, da das Unterstützungsmoment des elastischen Rückholsystems dann die Richtung ändert und den Motor unterstützt, dessen Wicklung keine Überhitzung riskiert.
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Mit dieser neuen Lösung wird das Moment des Stellers in geschlossener Stellung der Klappe verstärkt, indem es vom zusätzlichen Moment des elastischen Rückholsystems profitiert, das in Richtung Schließen wirkt, wobei dasselbe elastische Rückholsystem ebenfalls in Richtung Öffnen der Klappe wirkt, in geöffneter Stellung, um dem Motor zu helfen, die vollständig geöffnete Stellung lange aufrechtzuerhalten.
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In dieser Kombination kann die Stellvorrichtung sowohl ein hohes Schließmoment erreichen, um die Dichtigkeit der Klappe beim Schließen zu garantieren, als auch ein stabiles Gleichgewicht in vollkommen geöffneter Stellung, so dass diese Stellung mit einem so schwachen Strom wie möglich bzw. null beibehalten wird.
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Vorzugsweise treibt der Steller die Klappe des Ladedruckregelventils über eine Bewegungsübertragungsvorrichtung an. Diese Lösung erlaubt, das von dem elastischen Rückholsystem auf die Klappe ausgeübte Moment zu verstärken und damit eine bessere Abdichtung des geschlossenen Ventils zu garantieren.
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Einer ersten Variante zufolge wirkt das elastische Rückholsystem direkt auf den Rotor des Stellers, vor der Bewegungsübertragungsvorrichtung. Dadurch wird die Feder von den hohen Temperaturen entfernt, die in Ventilnähe vorhanden sind.
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Einer zweiten Variante zufolge wirkt das elastische Rückholsystem nach der Bewegungsübertragungsvorrichtung auf die Ventilklappe.
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Eine besondere Ausführungsform besteht darin, das elastische Rückholsystem mit einer Zugfeder umzusetzen, deren mobile Aktionslinie die Drehachse des Motors kreuzt. In diesem Fall kann die Feder innerhalb oder außerhalb der Abdeckung des elektrischen Stellers integriert sein, je nachdem, ob man diese vor Temperatur und eventuellen Spritzern schützen möchte oder nicht.
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Die relative Position der Aktionslinie des elastischen Rückholsystems und die Position der Drehachse des Stellers können derart ausgewählt sein, dass gemäß einem vorteilhaften Gesetz für die Anwendung ein zusätzliches Moment entsteht.
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Wir wissen, dass es ein deutsches Patent
DE 10 2006 055 818 A1 gibt, das ein System eines Ladedruckregelventils beschreibt, bei dem ein pneumatischer Steller mit einem elastischen Rückholsystem kombiniert ist, dessen Kennlinie nicht linear ist.
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Dieses Patent, das den besonderen Fall pneumatischer Steller behandelt, erlaubt es nicht, die Richtung des Steller-Unterstützungsmoments umzukehren und demzufolge nicht, die Ventilklappe einzig und allein aufgrund der Wirkung des elastischen Rückholsystems in geöffneter und geschlossener Stellung zu halten.
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Die vorliegende Erfindung stützt ihre Neuheit auf die Mobilität des elastischen Rückholorgans, dessen mechanische Wirkrichtung im Zuge des Bewegungsverlaufs des Stellers variabel ist und erlaubt, diesen unterschiedslos gemäß einer beliebigen oder in die zwei Bewegungsrichtungen des Motors zu unterstützen.
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Die Lösung der Kopplung mit einem elektrischen Drehsteller führt zu einer sehr einfachen Konstruktion, da es ausreichend ist, eines der Endes des elastischen Rückholsystems mit einem mit dem Rotor verbundenen Organ zu verbinden und das andere Ende an ein starres Element anzuschließen, wie zum Beispiel den Stator, um die erhoffte Unterstützung zu erhalten.
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Insbesondere ist vorstellbar, dass dieses elastische Rückholsystem vollständig im Deckel des elektrischen Stellers integriert ist oder sich, im Gegenteil, außerhalb des Stellers befindet, um mehr Freiheit in Bezug auf die Abmessungen und die Verankerungspunkte des elastischen Rückholsystems zu haben.
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Gleichermaßen wie die auf einem Gleichstrommotor mit einem mechanischen Reduziergetriebe basierenden Lösungen erlaubt die erfindungsgemäße Lösung, bei Beibehaltung eines geringen Stromverbrauchs beim Halten der Klappe in geöffneter Stellung ein starkes Schließmoment der Klappe zu erreichen.
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Dem gegenüber weist die vorgeschlagene Kombination keine komplizierte kinematische Kette zwischen dem Motor und der Klappe auf, hat nicht die Mängel in Bezug auf Zuverlässigkeit und Verschleiß, die Getriebemotoren innewohnen und erlaubt eine präzisere und schnellere Kontrolle der Ladedruckregelventilklappe der Turbine.
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Wenn das elastische System dafür vorgesehen ist, imstande zu sein, der Bewegung ein Moment in abwechselnder Richtung bereitzustellen, ist es möglich, eine stabile Stellung der Ventilklappe in vollkommen geöffneter Stellung aufrechtzuerhalten. In diesem Fall wird der elektrische Steller versorgt, um die voll geöffnete Stellung zu erreichen, wonach der Strom abgeschaltet werden kann und das Rückholmoment der Feder, das in Richtung Öffnen wirkt, hält die Klappe gegen ihren geöffneten Endlagenanschlag gedrückt.
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Damit weist die beanspruchte Lösung im Vergleich zu den Getriebemotorlösungen, die während ihrer gesamten Bewegung gegen leistungsfähige Federn arbeiten, einen zusätzlichen Vorteil auf, der das Stromsparen betrifft, und vor allem in der vollständig geöffneten Ventilstellung, die über lange Zeit gewährleistet bleiben muss.
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Diese Fähigkeit, das Ladedruckregelventil ohne Haltestrom im Steller geöffnet zu halten, erlaubt ebenfalls, diese Stellung beim vollständigen Anhalten des Fahrzeugs beizubehalten. Das stellt einen Zuverlässigkeitsvorteil der Klappe selbst dar, wobei gleichzeitig Probleme des Festfressens an ihrem Sitz, die auftreten können, wenn das Fahrzeug mit geschlossenem Ventil steht oder bei Abkühlung der Klappe, vor allem bei Vorhandensein von Ruß, vermieden werden.
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Bei den vorhandenen Konfigurationen agiert der elektrische Steller ständig gegen eine leistungsfähige Rückholfeder, die eine gute Dichtigkeit in geschlossener Stellung absichert. Diese Funktionsweise bedeutet, dass der elektrische Steller ständig ein hohes entgegenwirkendes Moment überwinden muss, um kontrollierte Verschiebungen oder Phasen vollständiger Öffnung des Ventils zu bewirken.
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Die für die langen Phasen des Haltens in geöffneter Stellung angesprochene Stromeinsparung findet ebenfalls statt, sobald der Steller beansprucht wird, um die Klappe zu verschieben. Der Vorteil eines umkehrbaren Unterstützungsmoments erlaubt ebenfalls, den während der Verschiebungen der Klappe verbrauchten Strom zu reduzieren und nicht nur in festen Extrempositionen.
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Darüber hinaus führen die wiederholten mechanischen Belastungen der Übertragungsstangen und des Sitzes der Schließklappe bei den aktuellen Lösungen, die leistungsfähige Federn verwenden, neben dem inhärenten Spiel des Reduziergetriebes zu Verschleiß, der die Steuerungsqualität des Systems und seine Dichtigkeit beeinträchtigt.
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Die vorgeschlagene Lösung weist echte Vorteile hinsichtlich Robustheit, geringer Verschleiß im Laufe der Zeit, Stellerkosten und Stromverbrauch auf.
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Die auf Ebene der Ladedruckregelventilklappen herrschende Temperatur zwingt, den Steller von der Klappe zu entfernen, wobei unabhängig vom Stellertyp üblicherweise eine Vorrichtung zur Übertragung der Bewegung zwischen dem Steller und der Ventilklappe verwendet wird.
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Dafür ist ein einfaches System zur Reduzierung der Drehbewegung geeignet, das zum Beispiel mit Hilfe von Pleulstangen umgesetzt wird, um das an die Klappe übertragene Moment zu verstärken.
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Weiterhin wäre vorstellbar, die Drehbewegung des Stellers in eine Verschiebebewegung umzuwandeln, um eine Ventilklappe zu steuern, die vorgesehen und imstande ist, linear zu funktionieren.
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Erfindungsgemäß kann das elastische Rückholsystem sowohl vor als auch nach einer derartigen Bewegungsübertragungsvorrichtung positioniert sein.
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Damit weist die vorgeschlagene Lösung eine Vielzahl von Ausführungsformen auf, um verschiedenen Konfigurationen von Ladedruckregelventilen zu entsprechen.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen und den anliegenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 ist ein kinematisches Schema, das die Funktionsweise eines Abzweigventils in Kombination mit einem elektrischen Steller und einem elastischen Rückholsystem darstellt;
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Die 2 ist ein kinematisches Schema, das die Funktionsweise eines Ladedruckregelventils darstellt, das von einem elektrischen Steller gesteuert wird, der nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem elastischen Rückholsystem kombiniert ist. Die Ventilklappe ist in geschlossener Stellung gegen ihren Sitz dargestellt;
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Die 3 ist ein kinematisches Schema eines Ladedruckregelventils, das von einem Steller gesteuert wird, der gemäß der Ausführungsform von 2 mit einem elastischen Rückholsystem kombiniert ist, wobei jedoch die Klappe in vollständig geöffneter Stellung dargestellt ist;
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Die 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Kopplungslösung zwischen einem elektrischen Steller und einem elastischen Rückholsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der das elastische Rückholsystem mit einer Zugfeder umgesetzt ist, die sich außerhalb des elektrischen Stellers befindet;
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Die 5A und 5B sind perspektivische Ansichten einer ersten Umsetzungsform gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zeigen einen elektrischen Steller, der einen Drehmomentmotor und ein elastisches Rückholsystem mit einer Zugfeder umfasst;
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Die 6 ist ein Prinzipschema einer zweiten Umsetzungsform eines Ladedruckregelventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das mit einer Bewegungsreduzierungskinematik und einem elastisches Rückholsystem außerhalb des elektrischen Stellers gekoppelt ist;
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Die 7 ist ein Prinzipschema einer dritten Umsetzungsform eines Ladedruckregelventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Kombination mit einer Bewegungsreduzierungskinematik;
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Die 8 ist ein Prinzipschema einer Gruppe, die aus einem elektrischen Steller besteht, der nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einem elastischen Rückholsystem in Kombination mit einer Bewegungsunwandlungskinematik der Drehbewegung in eine verschiebende Bewegung gekoppelt ist.
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Beschreibung der auf den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen
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Die 1 ist ein kinematisches Schema, das die Funktionsweise eines Abzweigventils (10) in Kombination mit einem elektrischen Steller (20) und einem elastischen Rückholsystem (30) darstellt, so wie es heute häufig anzutreffen ist. Der eintretende Gasstrom (40) wird von dem Ladedruckregelventil (10) derart geregelt, dass der die Turbine (42) antreibende Strom (41) durch einen Verluststrom (43) begrenzt wird. Der mit den Übertragungsorganen (21) verbundene elektrische Steller (20) bewegt die Ventilklappe (22), die durch die Aktion des mit den Übertragungsorganen (21) verbundenen elastischen Rückholsystems (30) darauf abzielt, sich gegen den Ventilsitz (23) zu schließen. Das elastische Rückholsystem (30) gewährleistet einen hohen Druck der Klappe (22) auf den Sitz (23) in Schließstellung, um die erforderliche Dichtigkeit zu gewährleisten. Da die Richtung (yy) der mechanischen Aktion dieses Rückholsystems (30) fest ist, richtet sich seine Aktion während der Phase des Klappenöffnens gegen das Moment des Stellers (20) und entwickelt einen wachsenden Widerstand. Das Rückholmoment wirkt sich besonders nachteilig aus, wenn die Klappe (22) für lange Zeit in vollständig geöffneter Stellung gehalten wird, was für diesen Typ Ladedruckregelventil oft der Fall ist.
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Die 2 ist ein kinematisches Schema, das die Funktionsweise eines Ladedruckregelventils (10) darstellt, das von einem elektrischen Steller (20) gesteuert wird, der mit einem erfindungsgemäßen elastischen Rückholsystem (30) kombiniert ist. Die Klappe (22) des Ventils (10) ist in geschlossener Stellung gegen ihren Sitz (23) dargestellt. Der Steller (20) ist so konstruiert, dass er imstande ist, ein bidirektionales Moment auszuüben, um die Drehung der Klappe (22) mit Hilfe von Übertragungsorganen (21) zu steuern. Ein Verankerungspunkt (24) erlaubt, eines der Enden des elastischen Rückholsystems (30) mit dem Rotor (25) des Stellers (20) derart zu verbinden, dass zusätzlich zum Motormoment ein Moment entsteht, das ebenfalls entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung wirkt, um die Klappe (22) auf ihren Sitz (23) zu drücken und die Dichtigkeit des Ventils (10) zu gewährleisten. Der Abstand (df) zwischen der Aktionslinie (yy) des elastischen Systems (30) und der Drehachse des Rotors (25), der in Schließstellung der Klappe (22) maximal ist, erzeugt in Ergänzung zu dem Moment des Stellers (20) ein hohes Moment, um die Dichtigkeit beim Schließen zu gewährleisten.
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Die 3 stellt ein kinematisches Schema eines Ladedruckregelventils (10) dar, das von einem Steller (20) gesteuert wird, der mit einem elastischen Rückholsystem (30) gemäß der Lösung von 2 kombiniert ist, wobei jedoch die Klappe vollständig geöffnet dargestellt ist. Im Gegensatz zum Fall der Schließstellung der Klappe (22) von 2 befindet sich die Aktionslinie (yy) des elastischen Rückholsystems (30) oberhalb der Rotorachse (25) und erzeugt ein Moment in Uhrzeigerrichtung, das dem Steller (20) hilft, die Klappe (22) geöffnet zu halten. Je nach Kraft des elastischen Rückholsystems (30) und dem Abstand (do) zwischen seiner Aktionslinie (26) und der Rotorachse (25) wird die Klappe (22) allein vom Unterstützungsmoment offen gehalten, so dass der Steller (20) in dieser Phase, die recht lang sein kann, nicht mehr mit Strom versorgt werden muss, wodurch er weniger warm wird.
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Die 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Kopplungslösung zwischen einem elektrischen Steller und einem elastischen Rückholsystem gemäß der Erfindung, bei der das elastische Rückholsystem mit einer Zugfeder (30) umgesetzt ist, die sich außerhalb des elektrischen Stellers (20) befindet. Die bewegbare Aufhängung (27) der Feder (30) ist mit einem C-förmigen Mitnehmer (29) verbunden, der selbst mit einem mit dem Rotor (25) verbundenen Hebel (28) drehbar verbunden ist, der es der Feder (30) erlaubt, einen Winkelbereich zu bestreichen, dessen Aktionslinie (yy) die Drehachse (zz) des Stellers (20) kreuzt, und zwar ohne mit der Achse des Rotors (25) zu kollidieren. Der Vorteil einer derartigen Lösung besteht darin, dass die Länge und die Befestigungspunkte der Feder (30) aus einer Vielzahl von Kombinationen ausgewählt werden können und eine optimale Abmessung der Unterstützungsmomentvorrichtung angeboten werden kann. Allerdings ist die Feder (30) bei dieser Konfiguration externen Verschmutzungen und mehr Wärmestrahlung aus dem schwierigen Umfeld, das für Ladedruckregelventile typisch ist, ausgesetzt.
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Die 5A und 5B sind zwei perspektivische Ansichten einer ersten erfindungsgemäßen Umsetzungsform, die einen elektrischen Steller (20) zeigen, der einen Drehmomentmotor und ein elastisches Rückholsystem (30) mit einer Zugfeder umfasst. Die Feder (30) ist zwischen einer bewegbaren Aufhängung (27), die mit dem Rotor (25) verbunden ist, und einer starren Aufhängung (28), die mit dem Stator (29) verbunden ist, derart angeordnet, dass die Unterstützungsmomentvorrichtung vollständig in dem Deckel (26), der den Drehmomentmotor (20) abdeckt, integriert ist. Die 5A zeigt die Ausrichtung des Rotors (25), die mit der Stellung der geöffneten Klappe (22) entspricht, wenn die Feder (30) ein schwaches Moment in Uhrzeigerrichtung erzeugt. Die Aktionslinie (yy) der Feder (30) befindet sich genau unter der Drehachse (zz) des Rotors (25). Die 5B hingegen zeigt die Ausrichtung des Rotors (25), die mit der Stellung der geschlossenen Klappe (22) entspricht, für die sich die Aktionslinie (yy) der Feder (30) deutlich über der Achse des Rotors (25) befindet und ein starkes Moment entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung erzeugt. Bei Positionsverschiebung der Klappe aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung bestreicht die Aktionslinie (yy) der Feder (30) einen Winkelsektor (β) und kreuzt die Drehachse (zz) des Rotors (25), so dass der Drehwinkelsensor des Motors mittels einer exzentrischen Lösung umgesetzt werden muss. Der zur Achse (zz) des Rotors (25) exzentrische Magnet (50) erzeugt eine magnetische Induktion, die von einem magnetsensiblen Element (51), das am Deckel (26) befestigt ist, aufgefangen wird. Durch Messen der Intensität und der Richtung der magnetischen Induktion erzeugt dieses magnetsensible Element (51) ein Signal, das die Winkelposition des Rotors (25) wiedergibt. Diese Konstruktion des Sensors, die auf dem Verhältnis der normalen und tangentialen Feldkomponenten beruht, ist allgemein bekannt und fällt nicht in den Rahmen dieser Erfindung.
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Die 6 ist ein Prinzipschema einer zweiten Umsetzungsform eines erfindungsgemäßen Ladedruckregelventils (10), das einen mit einer Bewegungsreduzierungskinematik (40) und einem elastischen Rückholsystem (30) außerhalb des elektrischen Stellers gekoppelten elektrischen Steller (20) umfasst. Die Reduzierungskinematik (40) umfasst zwei Hebel (211) und (212) verschiedener Längen (R1) und (R2), die durch eine Stange (213) verbunden sind, die es erlaubt, den Lauf und das auf Ebene der sich vor dieser Kinematik (40) befindenden Klappe (22) verfügbare Moment zu modulieren. Hier befindet sich das elastische Rückholsystem (30) vor der Bewegungsreduzierungskinematik (40). Die bewegbare Aufhängung (27) ist mit dem Hebel (211) verbunden, und die starre Aufhängung (28) ist mit dem Ventilgehäuse (10) verbunden. Die Lastrichtung (yy) des elastischen Rückholsystems (30) bestreicht im Verlauf der Bewegung der Klappe (20) einen Winkel (β) und kreuzt die Drehachse (zz) des Stellers (20), um ein Unterstützungsmoment anzubieten, das sich am Ende des Laufs umkehrt. Der Vorteil dieser Umsetzungsform besteht im Vergleich mit der vorstehenden 5 darin, dass es mehr Möglichkeiten für die Parametrierung des Arbeitsbereichs des elastischen Rückholsystems (30) gibt und verschiedene Aufhängungslängen und -winkel möglich sind.
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Die 7 stellt ein Prinzipschema einer dritten Umsetzungsform eines erfindungsgemäßen Ladedruckregelventils dar, das einen mit einem elastischen Rückholsystem (30) in Kombination mit einer Bewegungsreduzierungskinematik gekoppelten elektrischen Steller (20) umfasst. Hier befindet sich das elastische Rückholsystem (30) nach der Bewegungsreduzierungskinematik (40) und erzeugt auf Ebene der Drehachse (xx) der Klappe (22) ein Moment. Wie bei den anderen Umsetzungsformen ist die Achse (yy), die die Richtung der mechanischen Aktion des elastischen Rückholsystems (30) definiert, während des Öffnungsbewegung bewegbar und kreuzt die Drehachse (xx) der Klappe (22). Ein von dem elastischen Rückholsystem (30) erzeugtes Unterstützungsmoment ergänzt das des Stellers (20), um jeweils die Abstützkraft der Klappe (22) auf ihren Sitz (23) in geschlossener Stellung zu erhöhen und in vollständig geöffneter Stellung ein entgegen gesetztes Moment auszuüben, das darauf abzielt, die Klappe (22) geöffnet zu halten, und zwar ohne dass der Steller mit Strom versorgt wird.
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Die 8 stellt ein Prinzipschema einer Gruppe dar, die aus einem elektrischen Steller (20) besteht, der mit einem erfindungsgemäßen elastischen Rückholsystem (30) gekoppelt ist, und mit einer Bewegungsumwandlungskinematik (50) der Drehbewegung in eine verschiebende Bewegung kombiniert ist. Diese Gruppe ist vorgesehen und imstande, ein Ladedruckregelventil (10) zu steuern, dessen Durchsatzregulierung auf einer verschiebenden Bewegung eines Ventils (22) im Verhältnis zu seinem Sitz (23) besteht. Die Vorrichtung erlaubt, einen linearen elektrischen Steller zu erhalten, der vom elastischen Rückholsystem (30) unterstützt wird, das eine nicht lineare Kraftkennlinie und eine alternierende Aktionsrichtung aufweisen kann, um daraus einen bistabilen Steller zu machen. Die Verschiebung der Aktionslinie (yy) der Feder (30) über den Winkelsektor (β) kreuzt die Drehachse (zz) des Drehstellers (20). Diese Verschiebung des elastischen Rückholsystems (30), das mit dem Bewegungswandlungsmechanismus (50) gekoppelt ist, erlaubt, eine auf das Ventil (22) angewendete Kraft zu haben, die darauf abzielt, alle seine Stellungen in Endlage aufrechtzuerhalten. Mit dieser Vorrichtung kann das Ventil dicht geschlossen werden, wobei der Steller (20) in Schließposition unterstützt wird, aber auch bei der Aufrechterhaltung des Ventils in voll geöffneter Stellung, mit einem schwächeren Unterstützungsmoment, nur in entgegen gesetzter Richtung. Der erhaltene bistabile lineare Steller kombiniert die Vorteile einer hohen Blockierkraft und eines geringen Stromverbrauchs. Das elastische Rückholsystem (30) kann beliebig außerhalb des elektrischen Stellers (20) installiert sein und mit dem Drehorgan (214) des Bewegungsumwandlungsmechanismus (50) verbunden arbeiten, oder auch in den elektrischen Steller (20) integriert sein, um vom Deckel vor Staub aus der Umgebung und der Wärmestrahlung des Ventils (10) geschützt zu sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006055818 A1 [0005, 0037]
- DE 102008022468 A1 [0012]
- DE 20060064980 A1 [0014]
- DE 102008011613 A1 [0014]
- FR 2670629 [0017]
