DE4445100A1 - 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 Verbrennungsmo­ tors.

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.

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 zu schaffen, welches mit hohen Fre­ quenzen und in frei programmierbarer Weise ansteuerbar ist, und welches sowohl geräusch- als auch verschleißarm betrieben werden kann. Außerdem soll das schaltbare Drosselklappensystem nicht nur mit vertretbarem baulichen Aufwand zu günstigen Kosten herstell­ bar sein, sondern muß sich auch problemlos in bereits existieren­ de Ansaugsysteme z. B. von Verbrennungsmotoren integrieren lassen.

Die oben genannte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Drosselklappe z. B. in der üblichen Form einer Kreis­ scheibe anschlagfrei innerhalb einer entsprechenden Rohrleitung gelagert und mit einem speziellen elektromagnetischen Stellglied höchster Dynamik versehen wird. Dabei wird bei der Auslegung die­ ses Stellgliedes bewußt auf die Erzeugung einer bestimmten Schaltrichtung innerhalb des magnetischen Kreises verzichtet, so daß sich ohne externe Maßnahmen ein stochastisches Schaltverhal­ ten ergibt. Dieses regellose Hin-und-her-Springen oder Weiterdre­ hen der Drosselklappe beim elektrischen Ansteuern des Stellglie­ des 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 Ansteuerung damit sehr einfach wird und gleich­ zeitig der magnetische Kreis auf eine extrem hohe Dynamik hin optimierbar ist. Es ist dann für die Erregung des Spulensystems lediglich eine einzige Spannung erforderlich, wobei deren jewei­ lige Polarität die Schaltlage der Drosselklappe bestimmt.

Die erforderliche Dynamik des Systems wird durch verschiedene Maßnahmen erreicht. So ist der mit der Drosselklappe verbundene Rotor als scheibenförmiger Permanentmagnet ohne irgendwelche weichmagnetische Flußleitstücke ausgeführt, um die zu beschleuni­ genden Massen klein zu halten und eine bipolare Ausnutzung des magnetischen Kreises zu ermöglichen. Der Rotor ist aus einem Mag­ netwerkstoff höchster Leistungsdichte gefertigt, z. B. einer Ko­ balt-Samarium- bzw. einer Eisen-Neodym-Bor-Legierung, und axial vierpolig magnetisiert. Es ergeben sich so je Scheibenfläche vier über 90° streichende 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 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 wechselweise 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 der Normalversion so ausgeführt, daß die magnetische Rastung des Stellgliedes bei elektrisch erregtem Spulensystem mit einer der beiden Schaltlagen "auf" bzw. "zu" der Drosselklappe exakt über­ einstimmt, bzw. bei Umpolung des Spulenstroms exakt auf die je­ weils andere Schaltlage umspringt. In diesem Fall wird sich ein eindeutig stochastisches Schaltverhalten des Drosselklappensy­ stems 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 beiden Zeichnungsfigu­ ren näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt das vereinfachte Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen schaltbaren Drosselklappen­ systems als Radialschnitt eines Saugrohres in der Drosselklappen­ ebene. In Fig. 2 ist das selbe System in axialer Schnittlage dar­ gestellt.

Für die Zeichnungsfigur 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 Zeichnungsfigur 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 prinzipielle Funktion des erfindungsgemäßen schaltbaren Drosselklappensystems ist sie nicht unbedingt erforderlich. In der Zeichnungsfigur ist ferner die rechte Stirnseite der Drosselklappenwelle 3 zu erken­ nen, auf welche die unmagnetisierbare Muffe 6 aufgepreßt ist, die ihrerseits als Träger der permanentmagnetischen Rotorscheibe 5 dient. Die Rotorscheibe ist axial mit vier Polen 13, 14, 15, 16 magnetisiert, wobei die entsprechenden Gegenpole auf der Rücksei­ te in der Zeichnung nicht sichtbar sind.

Claims (10)

1. Schaltbares Drosselklappensystem zum Öffnen bzw. Schließen des Querschnitts einer Rohrleitung, insbesondere für die Sauglei­ tung eines Verbrennungsmotors, wobei die Drosselklappe im wesent­ lichen aus einer an die Querschnittsform der Rohrleitung angepaß­ te Platte geringer Wandstärke besteht, welche mittels einer Welle in der Rohrleitung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ohne Anschlag um 360° in der Rohrleitung drehbare Drosselklappe mit einem elektromagnetischen Stellglied versehen ist, welches aus einem fest mit der Drosselklappe verbundenen Rotor in Schei­ benform und einer Statoreinheit besteht, wobei der Rotor mittels axialer Magnetisierung beidseitig in vier sich im wesentlichen jeweils über einen Winkel von 90° erstreckende permanentmagneti­ sche Pole aufgegliedert ist, bzw. die Statoreinheit wahlweise vier oder acht sich im wesentlichen jeweils über einen Winkel von 90° erstreckende Polschuhe besitzt, und die Statoreinheit aus einer n-fachen Anzahl einzelner Statoren zusammengesetzt ist.

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

3. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe des Stators ähnlich sogenannten Klauenpolen gestaltet sind, wobei die jeweils einer Seite der Ro­ torscheibe zugeordneten Polschuhe voneinander durch extrem schma­ le radial verlaufende Luftspalte getrennt und längs diesen Luft­ spalten querschnittsmäßig ausgedünnt sind.

4. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Leitung des magnetischen Flusses die­ nenden Teile des Stators aus kleineren magnetisierbaren Partikeln durch Pressen oder Sintern, bzw. durch Formung unter Verwendung eines Klebmittels hergestellt sind.

5. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mag­ netwerkstoff für den Rotor aus einer magnetischen Hochleistungs­ legierung (z. B. Kobalt-Samarium oder Eisen-Neodym-Bor) ausgewählt ist.

6. 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.

7. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mag­ netische Rastung des elektromagnetischen Stellgliedes bei elek­ trischer Erregung winkelmäßig eine exakt der Stellung "auf" bzw. "zu" entsprechende Schaltlage der Drosselklappe bewirkt.

8. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mag­ netische Rastung des elektromagnetischen Stellgliedes bei elek­ trischer Erregung eine Schaltlage der Drosselklappe bewirkt, wel­ che winkelmäßig gegenüber den exakten Stellungen "auf" bzw. "zu" um einen geringen Betrag zwischen 0,5 und 50, vorzugsweise zwi­ schen 1 und 30 verdreht ist.

9. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe mit mindestens einer antiparallel geschalteten Federeinheit so verbunden ist, daß sie im stromlosen Zustand des elektromagnetischen Stellgliedes in einer bestimmbaren drehwin­ kelmäßigen Stellung federnd positioniert ist.

10. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dros­ selklappe im unerregten Zustand des elektromagnetischen Stell­ gliedes mittels einer antiparallel geschalteten Federungseinheit in einer ungefähren Mittellage zwischen der Stellung "auf" und "zu" positioniert ist.