DE4445100C2 - Schaltbares Drosselklappensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielles schaltbares Drosselklappensystem zum Öffnen und Schließen des Querschnitts einer Rohrleitung, insbesondere für den Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors.

In der Vergangenheit wurden derartige Steuerungssysteme verschiedentlich 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 Drossel­ klappensysteme besteht in dem genannten Zusammenhang darin, den Zeitpunkt des Öffnens oder Schließens frei programmierbar zu machen und so an die jeweilige Betriebssituation des Motors (z. B. Außenluft- und Motortemperatur, Leistungsabforderung, Umgebungsluftdruck, usw.) anpassen 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 Verbrennungsmotor 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 hinderlich entgegensteht. Die Beherrschung hoher Schaltfrequenzen bzw. die Vermeidung von Flattern würde Rückhol­ federn mit größerer Federkraft erforderlich machen, wodurch jedoch dem Gasstrom ein höherer Widerstand entgegengesetzt würde. Das hochfrequente Anschlagen der Drosselklappe würde nicht nur zu erhöhtem Verschleiß sondern auch zum Entstehen unakzeptabler Geräusche führen.

Da trotz der zahlreichen Patentanmeldungen im Bereich solcher schaltbaren Drossel­ klappensysteme 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.

Aus der Offenlegungsschrift DE 35 45 907 ist nun für einen anderen Anwendungsfall ein Drehventil bekannt, welches bei grober Betrachtung für die Betätigung eines schaltbaren Drosselklappensystems in Frage käme. Gemäß dem Beschreibungstext soll es eine hohe Ansprechempfindlichkeit besitzen. Eine genauere Analyse zeigt, daß hier der Rotor aus Wicklungen besteht. Diese müßten aus Kupferdraht gewickelt und derart vergossen oder verklebt werden, daß sie den hohen dynamischen Belastungen standhalten. Dadurch ist die zu beschleunigende Masse nicht gerade klein. Außerdem wäre entweder ein Kommutator oder ein mindestens zweipoliger Schleifringübertrager mit Ansteuerelektronik erforderlich, um die Spulen elektrisch zu erregen. Im unerregten Zustand entsteht dabei kein Halte­ moment. Eine bestimmte winkelmäßige Position des Drehventils ist ohne Drehwinkelgeber nicht erzielbar.

Mit der Offenlegungsschrift DE 39 08 546 wird ein Verstellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen. Mit dem zweipolig magnetisierten Rotor in Gestalt eines massiven Zylinders ist ein hochdynamischer Betrieb nicht möglich. Dieser ist für die vorgesehene Anwendung allerdings auch nicht erforderlich. Auch der um den Ansaugkanal herum geführte Rückschluß ist nachteilig, weil er wegen des benötigten Bauraums eine enge Anordnung benachbarter Saugrohre behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spezielles schaltbares Drosselklappen­ system zu schaffen, welches mit hohen Frequenzen 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 bau­ lichen Aufwand zu günstigen Kosten herstellbar sein, sondern muß sich auch problemlos in bereits existierende Ansaugsysteme z. B. von Verbrennungsmotoren integrieren lassen.

Die oben genannte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Drossel­ klappe z. B. in der üblichen Form einer Kreisscheibe anschlagfrei innerhalb einer entspre­ chenden Rohrleitung gelagert und mit einem speziellen elektromagnetischen Stellglied höchster Dynamik versehen wird. Dabei wird bei der Auslegung dieses Stellgliedes bewußt auf die Erzeugung einer bestimmten Schaltrichtung innerhalb des magnetischen Kreises verzichtet, so daß sich ohne externe Maßnahmen ein stochastisches Schaltverhalten ergibt. Dieses regellose Hin-und-her-Springen oder Weiterdrehen der Drosselklappe 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 Ansteuerung damit sehr einfach wird und gleichzeitig 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 jeweilige Polarität die Schaltlage der Dosselklappe 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 beschleunigen­ den Massen klein zu halten und eine bipolare Ausnutzung des magnetischen Kreises zu ermöglichen. Der Rotor ist aus einem Magnetwerkstoff höchster Leistungsdichte gefertigt, z. B. einer Kobalt-Samarium- oder 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 Polarität. Zwecks Erzielung hoher magnetischer Kräfte ist das Statorsystem 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 Drosselklappe aus einem Werkstoff geringer Dichte gefertigt ist. Hierbei steht z. B. ein Leichtmetall oder ein Kunststoff, z. B. Polyamid, Polyamidimid, bzw. ein Polyaryletherketon, oder faserverstärkter Kunststoff, z. B. GFK oder CFK, zur Wahl.

Das zum erfindungsgemäßen Drosselklappensystem gehörende Statorsystem kann wahl­ weise aus einer, zwei oder vier einzelnen Statoreinheiten aufgebaut sein, wobei jeder dieser Statoreinheiten eine entsprechende Wicklung zugeordnet ist. Die vom Bauaufwand 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 Wand­ stärke fließend ausgedünnt. Der Nachteil solch einer einseitig liegenden Statoreinheit ist das Auftreten axialer Kräfte an der Rotorwelle, und eine reduzierte volumenspezifische Effizienz des Stellgliedes. Daher ist für das erfindungsgemäße Drosselklappensystem ein zu beiden Seiten der Rotorscheibe liegendes Statorsystem 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 dieser 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 jeweils vier axialen Zähnen und Polschuhen, vier Nuten, und einem die vier Zähne verbindenden Rückschluß auszuführen. In Bezug auf die spulen­ mäßige Ausstattung besteht hier für jede Statoreinheit die Wahl zwischen einer Bewicklung der vier Rückschlußbrücken, oder der Bewicklung von mindestens zwei sich um 180° gegenüberliegenden 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 Ausführungsformen von Kern bzw. Joch der Statoreinheit ist weichmagnetisches Blech vorgesehen. Dieses kann in der einfach­ sten Form als Massivblech oder für erhöhte Ansprüche als lamelliertes Blechpaket zur Verwendung kommen. Da Pakete aus lamellierten und gegenseitig isolierten Blechen bekanntlich die Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste in derartigen magnetischen Systemen senken und so bei gleichzeitig reduzierter Verlustwärme die Anwendung höherer Frequenzen erlauben, ist die Verwendung von lamellierten Blechpaketen vor allem für hochdynamische Drosselklappensysteme bevorzugt.

In dieser Beziehung wird weiter vorgeschlagen, Kern bzw. Joch der Statoreinheit aus kleineren magnetisierbaren Partikeln durch Pressen oder Sintern, oder durch Formung unter Verwendung eines Klebmittels herzustellen. Die kleineren magnetisierbaren Partikel sind dann entweder z. B. ein Ferrit, ein ferromagnetisches Metallpulver oder oberflächlich oxydierte weichmagnetische Späne. Mittels 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 Spulen­ system mit einer der beiden Schaltlagen "auf" oder "zu" der Drosselklappe exakt über­ einstimmt, und bei Umpolung des Spulenstroms exakt auf die jeweils andere Schaltlage umspringt. In diesem Fall wird sich ein eindeutig stochastisches Schaltverhalten des Drosselklappensystems einstellen.

Aus den verschiedensten Gründen kann es erwünscht sein, ein definiertes Hin-und-Her- Springen der Drosselklappe zu verwirklichen. Für diesen Fall wird nach weiterer Erfindung vorgeschlagen, die Drosselklappe mittels zweier antiseriell mit der Drosselklappenwelle verbundenen Federn in einer Mittellage zwischen der Schaltlage "auf" und "zu" der Drosselklappe zu positionieren. Bei Bestromung 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 definierte Rückkehr der Drosselklappe. Die Positionierung der beiden anti­ seriell mit der Drosselklappenwelle verbundenen Federn ist dahingehend modifizierbar, den kräftemäßig neutralen Punkt z. B. in die Nähe einer der beiden Schaltlagen der Dosselklappe zu verlegen, um im stromlosen Zustand des Systems eine bestimmte Schalt­ lage sicherzustellen. Zusätzlich wird empfohlen, ein in extremen Betriebssituationen nicht ganz auszuschließendes Überspringen 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 bestimmten Überschreiten der Schaltlage entfaltet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der beiden Zeichnungfiguren näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt das vereinfachte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen schalt­ baren Drosselklappensystems als Radialschnitt eines Saugrohres in der Drosselklappen­ ebene. In Fig. 2 ist das selbe System in axialer Schnittlage dargestellt.

Für die Zeichnungsfigur 1 wurde ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel mit den wesent­ lichen Merkmalen der Erfindung herangezogen. Für die zeichnerische Darstellung wurde ein teilweiser Radialschnitt 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 Wellenende ist ein Rotor befestigt, welcher aus einer permanentmagnetischen Rotorscheibe 5 und einer nicht magnetisierbaren Muffe 6 besteht. Im Steuerkasten 2 ist zu beiden Seiten des Rotors jeweils eine Statoreinheit fest eingebaut. Beide Statoreinheiten besitzen ein im Prinzip mehr oder weniger U-förmiges Joch, von welchem zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses wechselweise jeweils eine Flanke im Bereich der Polschuhe (z. B. 10, 12) zurückversetzt ist, so daß das jeweilige Joch 9, 11 in der Zeichnung mit L-förmiger Gestalt erscheint. Beide Statoreinheiten sind mittels jeweils einer einfachen Ringspule 7, 8 elektrisch erregbar, wobei sich für die jeweils vier Polschuhe aufgrund ihrer Verbindung zum inneren bzw. äußeren Schenkel des Jochs eine alternierende Abfolge der magnetischen Polarität ergibt. Die der Rotorscheibe mit dem üblichen Luftspalt gegen­ überliegenden Polschuhe sind entsprechend der magnetischen Flußdichte in ihrer Wand­ stärke ausgedünnt. Eine derartige Ausdünnung der Polschuhe besteht auch am gegen­ seitigen Stoß, wo die Polschuhe durch einen Luftspalt geringer Breite voneinander getrennt sind. Die Situation 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 geschnittene Darstellungsweise zurückgegriffen wurde. Hier ist zu erkennen, daß das Saugrohr 1 im Bereich der Drosselklappe 4 mit einer Auf­ weitung gemäß einem Kugelausschnitt versehen wurde. Durch diese Maßnahme ist eine geschlossene Stellung der Drosselklappe auch bei leicht verdrehter Schaltlage gegeben. Außerdem kann dieser in das Saugrohr integrierte Bereich als Beschleunigungsstrecke genutzt werden, wenn ein sehr abruptes Öffnen der Drosselklappe gefordert ist. Die genannte Aufweitung des Saugrohrs kann in Anlehnung an konstruktive Vorgaben länger oder kürzer 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 Rückseite in der Zeichnung nicht sichtbar sind.

Claims (10)

1. Schaltbares Drosselklappensystem zum Öffnen und Schließen des Querschnitts einer Rohrleitung, insbesondere für die Saugleitung eines Verbrennungsmotors, wobei die Drosselklappe im wesentlichen aus einer an die Querschnittsform der Rohrleitung angepaßte Platte geringer Wandstärke besteht, welche mittels einer Welle in der Rohr­ leitung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ohne Anschlag um 360° in der Rohr­ leitung drehbare Drosselklappe mit einem elektromagnetischen Stellglied versehen ist, welches aus einem fest mit der Drosselklappe verbundenen Rotor in Scheibenform 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, und/oder 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 Rotorscheibe zugeordneten Polschuhe voneinander durch extrem schmale radial verlaufende Luftspalte getrennt und längs diesen Luftspalten querschnitts­ mäßig ausgedünnt sind.

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

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

6. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe aus einem Werkstoff niedriger Dichte, z. B. Leichtmetall, oder Kunststoff, z. B. einem Polyamid, einem Polyamidimid, oder einem Polyaryletherketon, oder faserverstärktem Kunststoff, z. B. GFK oder CFK, besteht.

7. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Rastung des elektromagne­ tischen Stellgliedes bei elektrischer Erregung winkelmäßig eine exakt der Stellung "auf" oder "zu" entsprechende Schaltlage der Drosselklappe bewirkt.

8. Schaltbares Drosselklappensystem gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Rastung des elektromagne­ tischen Stellgliedes bei elektrischer Erregung eine Schaltlage der Drosselklappe bewirkt, welche winkelmäßig gegenüber den exakten Stellungen "auf" oder "zu" um einen geringen Betrag zwischen 0,5 und 5°, vorzugsweise zwischen 1 und 3° verdreht ist.

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

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