DE19619755A1 - Schaltbares Drosselklappensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielles schaltbares Drosselklap­ pensystem zum Öffnen und Schließen des Querschnitts einer Rohr­ leitung, insbesondere für den Ansaugkanal eines Verbrennungs­ motors.

In der Vergangenheit wurden derartige Steuerungssysteme verschie­ dentlich vorgeschlagen, um den Betrieb von Verbrennungsmotoren, vor allem solchen für Kraftfahrzeuge zu verbessern. Von speziell schaltbaren Drosselklappensystemen verspricht man sich neben ei­ ner Erhöhung der Motorleistung günstige Einflüsse sowohl auf das Kaltstart- als auch auf das Abgasverhalten derartiger Motoren. Die spezielle Schaltbarkeit solcher Drosselklappensysteme besteht in dem genannten Zusammenhang darin, den Zeitpunkt des Öffnens bzw. Schließens frei programmierbar zu machen und so an die je­ weilige Betriebssituation des Motors (z. B. Außenluft- und Motor­ temperatur, Leistungsabforderung, Umgebungsluftdruck, usw.) an­ passen zu können. Entsprechende Verfahren wurden zahlreich zum Patent angemeldet.

So beschreibt beispielsweise die DE 37 37 827 A1 ein Verfahren zum Betrieb eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, wobei einem Ver­ brennungsmotor der Kolbenbauart stromauf vom Motoreinlaßventil im Einlaßkanal ein Schaltventil zugeordnet wurde. In der Schrift wird als praktische Ausführung ein Richtungsventil in Form einer an einem Anschlag liegenden Drosselklappe vorgeschlagen. Es ist jedoch kaum vorstellbar, daß eine derartige Ausführung annehmbar funktionieren wird. Aus der Motordrehzahl ergeben sich nämlich hohe Schaltfrequenzen, der die Masse der Drosselklappe als hin­ derlich entgegensteht. Die Beherrschung hoher Schaltfrequenzen bzw. die Vermeidung von Flattern würde Rückholfedern mit größerer Federkraft erforderlich machen, wodurch jedoch dem Gasstrom ein höherer Widerstand entgegensetzt würde. Das hochfrequente An­ schlagen der Drosselklappe würde nicht nur zu erhöhtem Verschleiß sondern auch zum Entstehen unakzeptabler Geräusche führen.

Für die spezielle Anwendung im Kraftfahrzeug zwecks Schwingungs­ anregung der Gassäule im Ansaugtrakt ist neben der ohnehin hohen Schaltfrequenz gleichzeitig auch eine abrupte Öffnungs- bzw. Schließcharakteristik derartiger Schaltsysteme erforderlich, ein Umstand, welcher bei bisher vorgeschlagenen Ausführungsformen nicht hinreichend berücksichtigt worden ist.

Da trotz der zahlreichen Patentanmeldungen im Bereich solcher schaltbaren Drosselklappensysteme praktische Anwendungen bisher nicht bekannt geworden sind, liegt die Vermutung nahe, daß die Verwirklichung der zugrunde liegenden verfahrenstechnischen Ideen bisher in Ermangelung funktionsfähiger Ausführungsformen gescheitert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spezielles schalt­ bares Drosselklappensystem mit einer extrem dynamischen Öffnungs- bzw. Schließcharakteristik zu schaffen, welches mit hohen Fre­ quenzen und in frei programmierbarer Weise ansteuerbar ist, und welches sowohl geräusch- als auch verschleißarm mit sehr niedri­ gen elektrischen Ansteuerleistungen betrieben werden kann. Außer­ dem soll das schaltbare Drosselklappensystem nicht nur mit ver­ tretbarem baulichen Aufwand zu günstigen Kosten herstellbar sein, sondern muß sich auch problemlos in bereits existierende Ansaug­ systeme z. B. von Verbrennungsmotoren integrieren lassen.

Die oben genannte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine plattenförmige Drosselklappe mit einer besonderen Dimen­ sionierung und Formgestalt anschlagfrei innerhalb einer angepaß­ ten Aufweitung der entsprechenden Rohrleitung drehbar gelagert und mit einem speziellen elektromagnetischen Stellglied höchster Dynamik versehen wird. Dabei wird bei der Auslegung dieses Stell­ gliedes bewußt auf die Erzeugung einer bestimmten Schaltrichtung innerhalb des magnetischen Kreises verzichtet, so daß sich ohne externe Maßnahmen ein stochastisches Schaltverhalten ergibt. Die­ ses regellose Hin-und-her-Springen oder Weiterdrehen der Drossel­ klappe beim elektrischen Ansteuern des Stellgliedes ist an sich ohne Belang, da in jedem Fall zumindest die von der Drosselklappe angefahrene Schaltlage eindeutig definiert ist. Undefiniert ist dann lediglich der Weg, den die Drosselklappe nehmen wird, um die anzusteuernde Schaltlage zu erreichen. Sie kann so z. B. aus der Schaltlage "auf" entweder durch eine Rechts- oder durch eine Linksdrehung von jeweils 90° in die Schaltlage "zu" gelangen. Die Benutzung eines prinzipiell stochastischen Schaltverhaltens für das Stellglied hat jedoch den Vorteil, daß die elektrische An­ steuerung damit sehr einfach wird und gleichzeitig der magneti­ sche Kreis auf eine extrem hohe Dynamik hin optimierbar ist. Es ist dann für die Erregung des Spulensystems lediglich eine einzi­ ge Spannung erforderlich, wobei deren jeweilige Polarität die Schaltlage der Drosselklappe bestimmt.

Die erforderliche Dynamik des Systems wird durch eine ausgefeilte Kombination verschiedener Maßnahmen erreicht. So ist der mit der Drosselklappe verbundene Rotor als scheibenförmiger Permanentmag­ net ohne irgendwelche weichmagnetische Flußleitstücke ausgeführt, um die zu beschleunigenden Massen klein zu halten und eine bipo­ lare Ausnutzung des magnetischen Kreises zu ermöglichen. Der Ro­ tor ist aus einem Magnetwerkstoff höchster Leistungsdichte gefer­ tigt, z. B. einer Kobalt-Samarium- bzw. einer Eisen-Neodym-Bor-Le­ gierung, und axial vierpolig magnetisiert. Es ergeben sich so je Scheibenfläche vier magnetische Segmente mit einer sich jeweils auf beiden Seiten der Scheibe gegenüberliegenden magnetischen Po­ larität. Zwecks Erzielung hoher magnetischer Kräfte ist das Sta­ torsystem vorzugsweise so ausgelegt, daß mittels der Gestaltung seiner Polschuhe ein größtmöglicher Flächenbedeckungsgrad der magnetisch nutzbaren Scheibenfläche des Rotors realisiert ist.

Die abrupte Öffnungscharakteristik des erfindungsgemäßen Drossel­ klappensystems wird durch die multiplikative Wirkung der hohen Schaltdynamik an sich mit der schlagartigen Freigabe des Sauglei­ tungsquerschnitts durch die spezielle Gestaltung von Saugrohr und Drosselklappe bewirkt. Dabei ist die in ihrer quer zur Drossel­ klappenwelle gemessenen Erstreckung größer als der Saugrohrdurch­ durchmesser dimensionierte Drosselklappe in einer Aufweitung des Saugrohrs angeordnet. Diese Aufweitung entspricht in ihrer inne­ ren Raumform einem um einen sehr kleinen Luftspalt vergrößerten imaginären Hüllkörper, der aus einer Drehbewehung der Drossel­ klappe um ihre Achse resultiert. Die Aufweitung des Saugrohrs geht an einer Steuerkante in den freien Saugrohrquerschnitt über.

Verfahrenstechnisch wird damit die Möglichkeit eröffnet, die Saugrohraufweitung während der Öffnungsphase als Beschleunigungs­ strecke für die Drosselklappe zu benutzen. Dabei wird die ruhend in der Schaltlage "zu" befindliche Drosselklappe mittels ihres Antriebs so innerhalb der Saugrohraufweitung beschleunigt, daß sie mit hoher Geschwindigkeit die Steuerkante am Übergang zwi­ schen Saugrohraufweitung und dem freien Saugrohrquerschnitt pas­ sieren kann. Während ihrer Drehbewegung innerhalb der Saugrohr­ aufweitung ist die Plattenkante der Drosselklappe lediglich durch einen minimalen Luftspalt von der inneren Kontur der Aufweitung getrennt, so daß der entsprechende Drehwinkelbereich als geschlos­ sen anzusehen ist. Der Luftspalt selbst ist aufgrund seiner Kleinheit bei dem dynamischen Ablauf der Öffnungs- bzw. Schließ­ zyklen nicht weiter störend.

Während des Schließvorgangs des schaltbaren Drosselklappensystems aus der Schaltlage "auf" steht eine sich auf den freien Saugrohr­ querschnitt nicht auswirkende Beschleunigungsstrecke praktisch nur in demjenigen Drehwinkelbereich der Drosselklappe zur Verfü­ gung, in welchem sich die Drosselklappe im Windschatten ihrer Welle befindet. Dies ist jedoch kein Nachteil, weil die zunächst während der Schließbewegung der Drosselklappe einsetzende Redu­ zierung des freien Saugrohrquerschnitts sich noch nicht stärker auf die Gasströmung auswirkt. So kann der Hauptteil der Beschleu­ nigung der Drosselklappe im freien Querschnittsbereich des Saug­ rohres stattfinden, wobei die Drosselklappe mit hoher Geschwin­ digkeit die Steuerkante erreicht und damit wiederum den Gasstrom sehr abrupt blockiert.

In Bezug auf die praktische Ausführung einer in einer Saugrohr­ aufweitung drehbar gelagerten Drosselklappe erscheint zunächst die Verwendung einer rechteckigen Klappengeometrie als nahelie­ gend, wobei die passende Saugrohraufweitung die Formgestalt eines Zylinders besitzen müßte. Diese Ausführungsform ist jedoch über­ raschenderweise ausgesprochen nachteilig, weil sie im Zusammen­ spiel mit dem vorzugsweise runden Querschnitt des Saugrohres mit ihrer dann relativ weichen Öffnungscharakteristik dem angestreb­ ten Ziel eines abrupten Öffnungsvorgangs entgegenwirkt. Außerdem besitzt diese Drosselklappenform nicht nur ein hohes Massenträg­ heitsmoment, sondern auch relativ hohe pneumatische Reibungsver­ luste im Gasstrom, wodurch die Dynamik des Schaltvorgangs weiter verschlechtert wird. Immerhin muß bei der angestrebten Schaltdy­ namik mit Schaltzeiten im Bereich von einer Millisekunde für die Außenkante der Drosselklappe je nach Durchmesser mit Bewegungs­ geschwindigkeiten von bis zu 20 km/h gerechnet werden.

Mit der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Drosselklappe in ihrer Form so zu gestalten, daß der vom Mittelpunkt der Drossel­ klappe zum umlaufenden Rand in der Planebene gemessene Abstand an keiner Stelle größer ist, als der Abstand vom Mittelpunkt der Drosselklappenwelle zum radial von der Drosselklappenwelle weg am weitesten entfernten Punkt des Drosselklappenrandes. Damit kann die Platte der Drosselklappe die gegenüber dem freien Quer­ schnitt der Saugleitung vergrößerte Form z. B. einer Kreis-, Sta­ dion- oder Ellipsenfläche annehmen. Es hat sich nämlich überra­ schenderweise gezeigt, daß mittels derartiger Geometrien nicht nur steilere Schaltcharakteristika des Drosselklappensystems, sondern gleichzeitig auch deutlich niedrigere Massenträgheits­ momente realisierbar sind als bei vergleichbaren rechteckigen Ausführungen. Parallel dazu sind die pneumatischen Reibungsver­ luste im Gasstrom herabgesetzt. Von den genannten Geometrien ist die Stadionform gegenüber der Kreisform, bzw. die Ellipsenform wiederum gegenüber der Stadionform bevorzugt.

Die Dynamik des Drosselklappensystems ist zusätzlich durch die Reduzierung der bewegten Massen verbessert, indem die Drossel­ klappe aus einem Werkstoff geringer Dichte gefertigt ist. Hier­ bei steht z. B. ein Leichtmetall bzw. ein Kunststoff, z. B. Poly­ amid, Polyamid-imid, bzw. ein Polyaryletherketon, oder faserver­ stärkter Kunststoff, z. B. GFK oder CFK, zur Wahl.

Das zum erfindungsgemäßen Drosselklappensystem gehörende Stator­ system kann wahlweise aus einer, bzw. zwei oder vier einzelnen Statoreinheiten aufgebaut sein, wobei jeder dieser Statoreinhei­ ten eine entsprechende Wicklung zugeordnet ist. Die vom Bauauf­ wand her einfachste Ausführung besteht aus einem auf einer Seite der Rotorscheibe liegenden Stator mit vier Polschuhen und einer Ringspule. Der Stator ist dann als elektrischer Ringmagnet mit im Prinzip U-förmigem Joch gestaltet, an welches sich in Richtung zur Rotorscheibe hin wechselseitig Polschuhe anschließen, welche in ihrer Form sogenannten Klauenpolen ähnlich sind. Diese Pole sind gegenseitig durch relativ schmale Schlitze abgegrenzt und vorzugsweise entsprechend der magnetischen Flußstärke in ihrer Wandstärke fließend ausgedünnt. Der Nachteil solch einer einsei­ tig liegenden Statoreinheit ist das Auftreten axialer Kräfte an der Rotorwelle, und eine reduzierte volumenspezifische Effizienz des Stellgliedes. Daher ist für das erfindungsgemäße Drosselklap­ pensystem ein zu beiden Seiten der Rotorscheibe liegendes Stator­ system aus zwei solchen Statoreinheiten bevorzugt, insbesondere dann, wenn eine hohe Dynamik bei kleinstem Bauvolumen gefordert ist.

Als bauliche Alternative wird vorgeschlagen, das Statorsystem aus vier Statoreinheiten zu jeweils zwei Polen zusammenzufügen, wobei der Statorkern die Rotorscheibe zangenartig umgreift. Jeder die­ ser Statorkerne ist dann mit einer elektrischen Spule umwickelt. Auch hier sind die benachbarten Polschuhe durch einen Luftspalt voneinander getrennt und in Übereinstimmung mit der magnetischen Flußdichte in ihrer Wandstärke ausgedünnt.

Als weitere Alternative wird vorgeschlagen, die beidseitig der Rotorscheibe liegenden Statoreinheiten als Flachstator mit je­ weils vier axialen Zähnen und Polschuhen, vier Nuten, und einem die vier Zähne verbindenden Rückschluß auszuführen. In Bezug auf die spulenmäßige Ausstattung besteht hier für jede Statoreinheit die Wahl zwischen einer Bewicklung der vier Rückschlußbrücken, bzw. der Bewicklung von mindestens zwei sich um 180° gegenüber­ liegenden Statorzähnen. Die einzelnen Statoreinheiten können theoretisch noch einmal unterteilt werden, so daß Statoreinheiten mit jeweils zwei Polschuhen entstehen. Für die Praxis dürfte eine derartige Konstruktion jedoch keine Bedeutung haben, da sie be­ züglich der Aufbringung der Bewicklung kaum einen Vorteil bringt, und hinsichtlich der mechanischen Gesichtspunkte nachteilig ist.

Als Werkstoff für die verschiedenen vorgeschlagenen Ausführungs­ formen von Kern bzw. Joch der Statoreinheit ist weichmagnetisches Blech vorgesehen. Dieses kann in der einfachsten Form als Massiv­ blech oder für erhöhte Ansprüche als lamelliertes Blechpaket zur Verwendung kommen. Da Pakete aus lamellierten und gegenseitig isolierten Blechen bekanntlich die Wirbelströme und Ummagnetisie­ rungsverluste in derartigen magnetischen Systemen senken und so bei gleichzeitig reduzierter Verlustwärme die Anwendung höherer Frequenzen erlauben, ist die Verwendung von lamellierten Blechpa­ keten vor allem für hochdynamische Drosselklappensysteme bevor­ zugt.

In dieser Beziehung wird weiter vorgeschlagen, Kern bzw. Joch der Statoreinheit aus kleineren magnetisierbaren Partikeln durch Pressen oder Sintern, bzw. durch Formung unter Verwendung eines Klebmittels herzustellen. Die kleineren magnetisierbaren Partikel sind dann entweder z. B. ein Ferrit, ein ferromagnetisches Metall­ pulver oder oberflächlich oxydierte weichmagnetische Späne. Mit­ tels der genannten Herstellungsart sind selbst komplex geformte Statorkerne sehr kostengünstig herstellbar.

Das erfindungsgemäße schaltbare Drosselklappensystem ist in Bezug auf die Wirkungsweise des elektromagnetischen Stellgliedes in zwei deutlich unterschiedenen Versionen ausführbar. Die erste Bauform ist so ausgeführt, daß der permanentmagnetische Rotor in Scheibenform mit vier sich jeweils über 90° erstreckenden Polen versehen ist, wobei die Polschuhe des Stators in ihrer flächen­ mäßigen Ausdehnung und Formgestalt im wesentlichen den Rotorpolen entsprechen. Das magnetische Rastmoment ist dann im unerregten Zustand des Stators nicht sehr hoch, wobei sich eine Mittelstel­ lung des Rotors einstellen wird. Bei entsprechender winkelmäßiger Ausrichtung der Rotorscheibe zur Drosselklappe ergibt sich bei elektrisch erregtem Spulensystem je nach Polarität des Stroms eine magnetische Rastung, welche mit einer der beiden Schaltlagen "auf" bzw. "zu" der Drosselklappe exakt übereinstimmt, bzw. bei Umpolung des Spulenstroms eindeutig definiert auf die jeweils an­ dere Schaltlage umspringt. Allerdings ist bei der beschriebenen Bauform für die Beibehaltung der angefahrenen Schaltlage eine ständige Bestromung des Stators erforderlich. Zur Einsparung elektrischer Energie ist es in diesem Fall vorteilhaft, den Sta­ tor des Stellgliedes im Ruhezustand der Drosselklappe mit einer reduzierten Stromstärke zu speisen, welche gerade noch ausreicht, um die angefahrene Schaltlage aufrechtzuerhalten.

Als zweite Bauform wird ein modifiziertes Drosselklappensystem vorgeschlagen, welches auf einen extrem stromsparenden Betrieb hin ausgelegt ist. Dabei wird die Grundidee verfolgt, das elek­ tromagnetische Stellglied in Bezug auf die Schaltlagen als quasi bistabiles Schaltsystem zu gestalten, wobei die magnetischen Rastpunkte ohne elektrische Erregung der Wicklung mit den Schalt­ lagen der Drosselklappe übereinfallen. Dadurch wird zum Umsteuern der Drosselklappe lediglich ein kurzer Stromimpuls einer entspre­ chenden Polarität benötigt, der sogar noch kürzer als die insge­ samt für die Drehbewegung benötigte Zeitspanne eingestellt werden kann. Die zeitliche Länge des Stromimpulses muß mindestens so be­ messen sein, daß das in eine Drehbewegung beschleunigte System aufgrund seiner Massenmomente sicher in die nächste Schaltlage gelangt, um dort magnetisch einrasten zu können. Während der Ver­ weilzeit in der Rastposition ist keine elektrische Ansteuerlei­ stung erforderlich.

Die beschriebene Arbeitsweise wird mittels einer besonderen Aus­ gestaltung des elektromagnetischen Stellgliedes erreicht. Dabei wird die permanentmagnetische Scheibe des Rotors zwischen den vier Polen so mit Ausbrüchen versehen, daß die winkelmäßige Er­ streckung der Pole auf etwa 40 bis 50° begrenzt ist. Gleichzeitig wird auch die Dimensionierung und Formgestalt der Polschuhe des Stators an die Pole des Rotors angepaßt, so daß eine vorzugsweise hohe Kongruenz der beiden kommunizierenden Flächen erzielt wird. Die winkelmäßige Ausdehnung der Polflächen über 50° hinaus wird lediglich dadurch begrenzt, daß die Schaffung einer sekundären magnetischen Rastposition in Mittelstellung zwischen den beiden Schaltlagen unter allen Umständen vermieden werden muß.

In beiden oben vorgeschlagenen Bauformen des schaltbaren Drossel­ klappensystems wird sich ein eindeutig stochastisches Schaltver­ halten einstellen.

Aus den verschiedensten Gründen kann es erwünscht sein, ein defi­ niertes Hin-und-Her-Springen der Drosselklappe zu verwirklichen. Für diesen Fall wird nach weiterer Erfindung vorgeschlagen, die Drosselklappe mittels zweier antiparallel mit der Drosselklappen­ welle verbundenen Federn in einer Mittellage zwischen der Schalt­ lage "auf" bzw. "zu" der Drosselklappe zu positionieren. Bei Be­ stromung des Spulensystems wird so der Rotor gegen die Federkraft der ersten Feder in eine der Bestromungspolarität entsprechende Schaltlage gedreht, wobei sich die zweite Feder entspannt. Die in der ersten Feder gespeicherte Federkraft wird beim Umschalten des Systems wieder frei und sorgt für eine in ihrer Drehrichtung de­ finierte Rückkehr der Drosselklappe. Die Positionierung der bei­ den antiparallel mit der Drosselklappenwelle verbundenen Federn ist dahingehend modifizierbar, den kräftemäßig neutralen Punkt z. B. in die Nähe einer der beiden Schaltlagen der Drosselklappe zu verlegen, um im stromlosen Zustand des Systems eine bestimmte Schaltlage sicherzustellen. Zusätzlich wird empfohlen, ein in ex­ tremen Betriebssituationen nicht ganz auszuschließendes Über­ springen der Drosselklappe über die beiden Schaltlagen hinaus durch einen z. B. gummielastischen Anschlag der Drosselklappe zu unterbinden. Dieser Anschlag kann vorzugsweise so eingestellt sein, daß er im Normalbetrieb der Drosselklappe unwirksam ist und eine die Drehbewegung begrenzende Wirkung erst bei einem bestimm­ ten überschreiten der Schaltlage entfaltet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der sieben Zeichnungsfigu­ ren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen schaltbaren Drosselklappensystems als Radialschnitt eines Saugrohres in der Drosselklappenebene.

Fig. 2 Das selbe System in axialer Schnittlage.

Fig. 3 Abgewandelte Ausführung in Darstellungsweise wie Fig. 1.

Fig. 4 Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 als Axialschnitt.

Fig. 5 Sechs verschiedene Drosselklappenformen.

Fig. 6 Diagramm der Öffnungscharakteristik fünf verschiedener Drosselklappenformen.

Fig. 7 Relative Massenträgheit von sechs verschiedenen Drossel­ klappenformen.

Für die Fig. 1 wurde ein vereinfachtes Ausführungsbei­ spiel mit den wesentlichen Merkmalen der Erfindung herangezogen. Für die zeichnerische Darstellung wurde ein teilweiser Radial­ schnitt durch ein Saugrohr in der Drosselklappenebene gewählt. In dem Saugrohr 1 ist eine Drosselklappe 4 mittels einer Welle 3 drehbar gelagert. Das eine Wellenende führt in einen rechtsseitig vom Saugrohr befindlichen Steuerkasten 2 hinein. Auf diesem Wel­ lenende ist ein Rotor befestigt, welcher aus einer permanentmag­ netischen Rotorscheibe 5 und einer nicht magnetisierbaren Muffe 6 besteht. Im Steuerkasten 2 ist zu beiden Seiten des Rotors je­ weils eine Statoreinheit fest eingebaut. Beide Statoreinheiten besitzen ein im Prinzip mehr oder weniger U-förmiges Joch, von welchem zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses wechsel­ weise jeweils eine Flanke im Bereich der Polschuhe (z. B. 10, 12) zurückversetzt ist, so daß das jeweilige Joch 9, 11 in der Zeich­ nung mit L-förmiger Gestalt erscheint. Beide Statoreinheiten sind mittels jeweils einer einfachen Ringspule 7, 8 elektrisch erreg­ bar, wobei sich für die jeweils vier Polschuhe aufgrund ihrer Verbindung zum inneren bzw. äußeren Schenkel des Jochs eine al­ ternierende Abfolge der magnetischen Polarität ergibt. Die der Rotorscheibe mit dem üblichen Luftspalt gegenüberliegenden Pol­ schuhe sind entsprechend der magnetischen Flußdichte in ihrer Wandstärke ausgedünnt. Eine derartige Ausdünnung der Polschuhe besteht auch am gegenseitigen Stoß, wo die Polschuhe durch einen Luftspalt geringer Breite voneinander getrennt sind. Die Situa­ tion ist in der Zeichnung nicht zu erkennen.

In der Fig. 2 wird das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 um 90° gedreht gezeigt, wobei wiederum auf eine teilweise ge­ schnittene Darstellungsweise zurückgegriffen wurde. Hier ist zu erkennen, daß das Saugrohr 1 im Bereich der Drosselklappe 4 mit einer Aufweitung gemäß einem Kugelausschnitt versehen wurde. Durch diese Maßnahme ist eine geschlossene Stellung der Drossel­ klappe auch bei leicht verdrehter Schaltlage gegeben. Außerdem kann dieser in das Saugrohr integrierte Bereich als Beschleuni­ gungsstrecke genutzt werden, wenn ein sehr abruptes Öffnen der Drosselklappe gefordert ist. Die genannte Aufweitung des Saug­ rohrs kann in Anlehnung an konstruktive Vorgaben länger oder kür­ zer gestaltet werden, bzw. ganz entfallen. Für die rein mechani­ sche Schaltfunktion des erfindungsgemäßen Drosselklappensystems ist sie zwar nicht unbedingt erforderlich, ist jedoch ein vor­ teilhafter Beitrag zur angestrebten abrupten Öffnungscharakteris­ tik. In der Zeichnungsfigur ist ferner die rechte Stirnseite der Drosselklappenwelle 3 zu erkennen, auf welche die unmagnetisier­ bare Muffe 6 aufgepreßt ist, die ihrerseits als Träger der perma­ nentmagnetischen Rotorscheibe 5 dient. Die Rotorscheibe ist axial mit vier Polen 13, 14, 15, 16 magnetisiert, wobei die entsprechenden Gegenpole auf der Rückseite in der Zeichnung nicht sichtbar sind.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in einer den Fig. 1 und 2 entspre­ chenden Darstellungsweise eine abgewandelte Ausführungsform, wel­ che auf ein hochdynamisches und abruptes Schaltverhalten hin op­ timiert ist. Außerdem ist die Ausführung bistabil ausgelegt. In das Saugrohr 29 mit kreisrundem Querschnitt ist eine Saugrohrauf­ weitung 17 mit der Formgestalt eines Ellipsoids integriert, wel­ che durch einen extrem kleinen Luftspalt von der Drosselklappe 20 in Ellipsengestalt getrennt ist. Die Drosselklappe ist mittels einer Welle 19 in der Saugrohraufweitung gelagert und ragt ein­ seitig in den Steuerkasten 18 hinein. Sie trägt eine Muffe 22 mit einem sternförmigen magnetischen Rotor 21, dessen vier Arme 30, 31, 32, 33 in axialer Richtung alternierend magnetisiert sind. Dem magnetischen Rotor ist zu beiden Seiten jeweils ein ringförmiger Stator zugeordnet, der jeweils aus einem Joch 25, 27 und einer Ringspule 23, 24 besteht. Die klauenpolartigen Statorpole 26, 28 sind in ihrer jeweiligen zirkularen Erstreckung den Armen des magnetischen Rotors so angepaßt, daß das für die sichere Beibe­ haltung der Position erforderliche Rastmoment im stromlosen Zu­ stand gewährleistet ist. Wie bei der in den Fig. 1 und 2 vor­ gestellten Ausführung wird sich auch hier während des Betriebs ein stochastisches Schaltverhalten einstellen, wobei die Rich­ tung des Umspringens der Drosselklappe nicht festgelegt ist. Ge­ ringste Auslenkungen aus der jeweiligen Ruhelage durch entspre­ chende Impulse, z. B. durch Nachschwingen, Erschütterungen usw., bestimmen dann die Bewegungsrichtung. Die beiden Ruhelagen "auf" und "zu", sind durch die Positionierung der Rotorarme und der Sta­ torpole zur Drosselklappe eindeutig definierbar. Sie werden sta­ bil beibehalten, solange die vom Gasstrom auf die Drosselklappe einwirkenden Kräfte kleiner als das Rastmoment des Systems sind.

Die Fig. 5 zeigt sechs typische mit Buchstaben von A bis F bezeichnete Ausführungsformen von Drosselklappen als Bei­ spiel. Verschiedene Zwischenformen sind möglich. Die gezeigten Formen sind:

• A. Kreisform (Durchmesser gleich dem Saugrohrdurchmesser).
• B. Quadratform (Breite und Höhe wie Saugrohrdurchmesser).
• C. Ellipsenform (Breite wie Saugrohrdurchmesser).
• D. Stadionform (Breite wie Saugrohrdurchmesser).
• E. Kreisform (1,25-facher Saugrohrdurchmesser).
• F. Rechteckform (Breite wie Saugrohrdurchmesser).

Diese Drosselklappenformen wurden gewählt, um aufzuzeigen, wie sich die Öffnungscharakteristik und Dynamik durch die Wahl der Geometrie beeinflussen läßt. Die Abmessungen der Beispiele wur­ den so gewählt, daß das Grundmaß einem einheitlichen Saugrohr­ durchmesser, und im Falle eines vergrößerten Maßes dieses dem 1,25-fachen des Saugrohrdurchmessers entspricht.

Dazu wurde das Öffnungsverhalten für fünf der Drosselklappen be­ rechnet und in Fig. 6 als Kurvenschar in einem Diagramm darge­ stellt. Die Kurve für die Drosselklappe D wurde weggelassen, weil sie zwischen denen für C und E liegt und das Diagramm dadurch un­ übersichtlicher geworden wäre. In dem Diagramm wurde auf der Ab­ zisse der Öffnungswinkel und auf der Ordinate der prozentuale Grad der Querschnittsfreigabe eines kreisrunden Saugrohrs aufge­ tragen. Dazu wurde der komplette Saugrohrquerschnitt, also ohne die Fläche der Drosselklappenwelle mit 100% angenommen. Daher sind sämtliche Kurven bei etwa 87% freigegebener Fläche begrenzt. Die konventionelle Drosselklappe A, wie sie z. B. aus einem Verga­ ser bekannt ist, dient als Referenz. Ihr Durchmesser ist gleich dem des Saugrohres. Es ergibt sich für sie eine relativ weich einsetzende Zunahme des freigegebenen Querschnitts. Die Drossel­ klappe B mit einer Quadratform vor einem kreisrunden Saugrohr, wobei Höhe und Breite des Quadrats dem Saugrohrdurchmesser ent­ sprechen, ergibt in dieser Beziehung sogar eine noch weicher ein­ setzende Kurve. Beide Drosselklappengestaltungen sind daher für eine schwingungsmäßige Anregung der Gassäule im Saugrohr nicht geeignet. Die Kurve für die Drosselklappe F zeigt, daß eine rechteckige Drosselklappenform, deren Höhe größer ist als der Durchmesser des Saugrohres, zu einem definierten Öffnungspunkt und einer größeren Steilheit der Querschnittszunahme führt. Die­ ses Verhalten ist mit der gegenüber dem Saugrohrdurchmesser ver­ größerten Drosselklappe E sogar noch zu verbessern. Das eindeutig beste Ergebnis liefert die Drosselklappe C, welche mit der Breite ihrer Ellipsenform dem Saugrohrdurchmesser entspricht. Die Kurve zeigt eine sehr steile, fast linear ansteigende Charakteristik mit abrupt einsetzendem Öffnungsbeginn. Mit dieser Gestaltung ist daher das angestrebte schlagartige Öffnen und Schließen des Saug­ rohres sehr gut zu bewerkstelligen.

Da die Öffnungscharakteristik auch noch von der Dynamik des Stellgliedes abhängt, ist es neben einer entsprechenden Effizienz des magnetischen Antriebs erforderlich, die Massenträgheit der beteiligten Komponenten möglichst klein zu halten. Zu diesen be­ wegten Massen gehört auch die Drosselklappe selbst. Daher wird in Fig. 7 ein Balkendiagramm mit den relativen Massenträgheitsmo­ menten der sechs vorgestellten Drosselklappenformen gezeigt. In diesem Fall dient die rechteckige Drosselklappe F als Bezug. Ihre Höhe wurde mit dem 1,25-fachen Wert des Saugrohrdurchmessers an­ gesetzt. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß die Drosselklappe A aufgrund ihres kleinen Durchmessers demgegenüber nur 30% der Mas­ senträgheit besitzt. Wie weiter oben verdeutlicht wurde, ist sie jedoch leider für den angestrebten Zweck nicht brauchbar. Im Ver­ gleich schneidet hier die Drosselklappe C recht gut ab. Es ist ganz offensichtlich, daß von den abrupt öffnenden Drosselklappen­ typen die Version C neben der günstigsten Öffnungscharakteristik eindeutig auch das kleinste Massenträgheitsmoment aufweist.

Die bevorzugte Drosselklappengestaltung gemäß Fig. 5C ist noch dahingehend abwandelbar, daß die Drosselklappe in jedem ihrer in der Planebene liegenden Quadranten mindestens im Eckbereich als Quadrant einer zur Drehachse der Drosselklappe hochkant stehenden Ellipse gerundet ist, wobei der zugehörige Saugrohrquerschnitt rechtwinkling, quadratisch oder rechteckig mit jeweiligem Ecken­ radius ausgeführt ist. Diese Variante ist vorteilhaft z. B. für nebeneinander zusammengeführte Saugleitungen mit flachem recht­ eckigen Querschnitt und gerundeten Ecken, wie sie in Verbindung mit Vierventil-Zylinderköpfen verbreitet sind.

Claims (24)

1. Schaltbares Drosselklappensystem zum Öffnen bzw. Schließen des Querschnitts einer Rohrleitung, insbesondere für die Sauglei­ tung eines Verbrennungsmotors, wobei die Drosselklappe aus einer Platte geringer Wandstärke besteht, welche mittels einer Welle in der Rohrleitung drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe in ihrer quer zur Drosselklappenwelle gemesse­ nen Erstreckung größer ist als der Saugrohrdurchmesser und sie in einer Aufweitung des Saugrohrs angeordnet ist, welche in ihrer inneren Raumform einem um einen sehr kleinen Luftspalt vergrößer­ ten imaginären Hüllkörper entspricht, der aus einer Drehbewehung der Drosselklappe um ihre Achse resultiert, und die Aufweitung des Saugrohrs an einer Steuerkante in den freien Saugrohrquer­ schnitt übergeht.

2. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der während der Drehbewegung innerhalb der Aufweitung des Saugrohrs von der Drosselklappe überstrichene Bereich zwischen den Steuerkanten winkelmäßig mindestens 5° und maximal 100° beträgt.

3. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der vom Mittelpunkt der Drosselklappe zum umlaufenden Rand in der Planebene gemessene Abstand an kei­ ner Stelle größer ist, als der Abstand vom Mittelpunkt der Dros­ selklappenwelle zum radial von der Drosselklappenwelle weg am weitesten entfernten Punkt des Drosselklappenrandes.

4. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe wahlweise in ihrer Platten­ form einer Kreis- bzw. Stadion- oder Ellipsenfläche entspricht, wobei die Stadion- gegenüber der Kreisform, bzw. die Ellipsen­ gegenüber der Stadionform bevorzugt ist.

5. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe in jedem Quadranten ihrer Planebene im Eckbereich jeweils in Form des Quadranten ei­ ner zur Drehachse der Drosselklappe hochkant stehenden Ellipse gestaltet ist.

6. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ohne Anschlag um 360° in der Saugleitung drehbare Drosselklappe mit einem elektromagnetischen Stellglied versehen ist, welches aus einem fest mit der Drosselklappe verbundenen Rotor in Scheiben­ form und einer Statoreinheit besteht, wobei der Rotor mittels axialer Magnetisierung beidseitig in vier permanentmagnetische Pole aufgegliedert ist, bzw. die Statoreinheit wahlweise vier oder acht im wesentlichen der winkelmäßigen Erstreckung der Ro­ torpole angeglichene Polschuhe besitzt, und die Statoreinheit aus einer n-fachen Anzahl einzelner Statoren zusammengesetzt ist.

7. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß n 1, 2 oder 4 beträgt.

8. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rotorpole jeweils über 90° erstrecken und die Polschuhe des Stators ähnlich sogenannten Klauenpolen gestaltet sind, wobei die jeweils einer Seite der Rotorscheibe zugeordneten Polschuhe voneinander durch extrem schmale radial verlaufende Luftspalte getrennt und längs diesen Luftspalten querschnittsmäßig ausgedünnt sind.

9. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rotorpole im wesentlichen jeweils über einen Winkel zwischen etwa 40 und 50° erstrecken und durch Ausnehmungen in der Rotorscheibe voneinander getrennt sind.

10. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole in Umlaufrichtung alternierend magnestisiert sind, z. B. in der Abfolge N-S-N-S auf der einen, bzw. S-N-S-N auf der anderen Scheibenseite.

11. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lei­ tung des magnetischen Flusses dienenden Teile des Stators aus kleineren magnetisierbaren Partikeln durch Pressen oder Sintern, bzw. durch Formung unter Verwendung eines Klebmittels hergestellt sind.

12. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet­ werkstoff für den Rotor aus einer magnetischen Hochleistungsle­ gierung (z. B. Kobalt-Samarium oder Eisen-Neodym-Bor) ausgewählt ist.

13. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dros­ selklappe aus einem Werkstoff niedriger Dichte, z. B. Leichtme­ tall, bzw. Kunststoff, z. B. einem Polyamid, einem Polyamid-imid, oder einem Polyaryletherketon, bzw. faser-verstärktem Kunststoff, z. B. GFK oder CFK, besteht.

14. Verfahren zum Betrieb des schaltbaren Drosselklappensystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektromagnetische Stellglied zum Umsteuern der Drosselklappe mit einem elektrischen Impuls angesteuert wird, dessen zeitliche Länge kürzer ist, als die für eine Drehbewegung der Drosselklappe von 90° benötigte Zeitspanne, jedoch mindestens lang genug, um ein sicheres Umsteuern in die drehwinkelmäßig nächste Position zu garantieren.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14 zum Betrieb des schaltbaren Dros­ selklappensystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Stellglied in den elektrischen Ansteuerpausen während des magnetischen Ein­ rastens des Rotors als Generator zur Rückgewinnung elektrischer Energie geschaltet ist.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15 zum Betrieb des schaltbaren Dros­ selklappensystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung aus einer durch die Zahl zwei teilbaren Anzahl von Einzelspulen gebildet ist, und mindestens zwei dieser Einzelspulen während der elektri­ schen Erregung parallel und während des magnetischen Einrastens des Rotors hintereinander geschaltet sind, um während des Genera­ torbetriebs des elektromagnetischen Stellgliedes eine gegenüber der Ansteuerspannung erhöhte Generatorspannung zu erzeugen.

17. Verfahren gemäß Ansprüchen 15 bzw. 16 zum Betrieb eines schaltbaren Drosselklappensystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgewonnene elektrische Energie wahlweise dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs oder einem Zwischenkreis zugeführt wird.

18. Verfahren gemäß Anspruch 14 zum Betrieb eines schaltbaren Drosselklappensystems gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während eines zeitlichen Mo­ ments zwischen der Annäherung der Rotorscheibe an ihre magneti­ sche Einrastposition, dem Verweilen in der magnetischen Einrast­ position und dem Beginn der Beschleunigungsbewegung mindestens eine der Spulenwicklungen des Stators kurzgeschlossen wird, um ein elektromagnetisches Brems- bzw. Dämpfungsmoment auf die Ro­ torscheibe auszuüben.

19. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die magneti­ sche Rastung des elektromagnetischen Stellgliedes bei elektri­ scher Erregung winkelmäßig eine exakt der Stellung "auf" bzw. "zu" entsprechende Schaltlage der Drosselklappe bewirkt.

20. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die magneti­ sche Rastung des elektromagnetischen Stellgliedes bei elektri­ scher Erregung eine Schaltlage der Drosselklappe bewirkt, welche winkelmäßig gegenüber den exakten Stellungen "auf" bzw. "zu" um einen geringen Betrag zwischen 0,5 und 5°, vorzugsweise zwi­ schen 1 und 3° verdreht ist.

21. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6, 7 und 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Rastung des elektromagnetischen Stellgliedes im uner­ regten Zustand eine winkelmäßig exakt der Stellung "auf" bzw. "zu" entsprechende Schaltlage der Drosselklappe bewirkt.

22. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6, 7 und 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Rastung des elektromagnetischen Stellgliedes im uner­ regten Zustand eine Schaltlage der Drosselklappe bewirkt, welche winkelmäßig gegenüber den exakten Stellungen "auf" bzw. "zu" um einen geringen Betrag zwischen 0,5 und 5°, vorzugsweise zwischen 1 und 3° verdreht ist.

23. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel­ klappe mit mindestens einer antiparallel geschalteten Federein­ heit so verbunden ist, daß sie im stromlosen Zustand des elektro­ magnetischen Stellgliedes in einer bestimmbaren drehwinkelmäßigen Stellung federnd positioniert ist.

24. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8 und 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe im unerregten Zustand des elektromagnetischen Stellgliedes mittels einer antiparallel geschalteten Federungs­ einheit in einer ungefähren Mittellage zwischen der Stellung "auf" und "zu" positioniert ist.