EP0579932A1 - Betätigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschinen-Drosselklappe - Google Patents

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EP0579932A1
EP0579932A1 EP93108635A EP93108635A EP0579932A1 EP 0579932 A1 EP0579932 A1 EP 0579932A1 EP 93108635 A EP93108635 A EP 93108635A EP 93108635 A EP93108635 A EP 93108635A EP 0579932 A1 EP0579932 A1 EP 0579932A1
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EP
European Patent Office
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throttle valve
piezo
actuator
actuating device
cylinder
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EP93108635A
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Hansjürgen Prof. Dr.-Ing. Linde
Gero Kempf
Manfred Gruber
Jörg Johannsen
Günter Dr. Seeser
Karl Heinz Menzl
Achim Espitte
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F02D31/00—Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
    • F02D31/001—Electric control of rotation speed
    • F02D31/002—Electric control of rotation speed controlling air supply
    • F02D31/003—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control
    • F02D31/004—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control by controlling a throttle stop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M3/06—Increasing idling speed
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    • F02D2011/103—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type characterised by the means for actuating the throttles at least one throttle being alternatively mechanically linked to the pedal or moved by an electric actuator

Definitions

  • the invention relates to an actuating device for a throttle valve of an internal combustion engine, in particular for idling control, with an actuator acting on the throttle valve via a transmission element.
  • Throttle valves of internal combustion engines are actuated in various ways in the known prior art.
  • an operator can act directly on a lever attached to the throttle valve axis via a cable or linkage, the throttle valve being reset to its closed position mostly via a spring element.
  • an electromotive actuation of a throttle valve is also known. It is also known to also set the so-called idle point of the internal combustion engine by means of an electric motor by corresponding actuation of the throttle valve.
  • the throttle valve is only opened to such an extent that the internal combustion engine is running at the desired idling speed.
  • an electric motor-operated throttle valve actuator for idle control cf. DE-OS 29 42 443
  • throttle valve actuators operated by negative pressure for example from DE-OS 38 42 397.
  • throttle valve actuators actuated by negative pressure operate relatively imprecisely and with a high time delay, and electric motor-operated throttle valve actuators require high construction costs and, moreover, require a large amount of installation space
  • the invention has set itself the task of an actuator for actuating an internal combustion engine throttle valve to show that on the one hand works precisely and quickly and on the other hand requires little installation space.
  • a piezoelectric or magnetostrictive actuator which is further developed in the subclaims, inter alia, with regard to a transmission element which translates the small deflection of a piezoceramic or a magnetostrictive material into a sufficient throttle valve actuating movement.
  • Piezoelectric actuators or actuators are characterized by an extremely fast response behavior and by the highest precision with regard to the movement carried out in accordance with an excitation. Furthermore, conventional piezo actuators require so little installation space that they can be attached to a conventional internal combustion engine throttle body in a simple manner, including a suitable transmission element. Although the use of a piezo element in connection with a throttle valve actuation is known from DE-OS 38 42 397 mentioned above, this piezo element is only used there for a connection between the throttle valve actuator and the throttle valve lever to interrupt. An operation of the throttle lever or the throttle valve by the piezo element itself is not provided there.
  • a piezoelectric actuator i. H.
  • a piezoceramic a piezoceramic
  • a magnetostrictive actuator can also be used.
  • Such metallic alloys react to changes in an applied magnetic field similar to the piezo-oxide actuators when the applied electrical voltage changes. Therefore, only piezoelectric actuators will be spoken of in the following, and the same explanations should also apply to magnetostrictive materials, for example Terfenol.
  • a so-called piezo-hydraulic pressure cell can be used.
  • This embodiment is particularly suitable for realizing an idle control via a throttle valve actuation.
  • This piezo-hydraulic pressure cell has a hydraulic volume that can be changed by electrical control of piezo elements.
  • This hydraulic volume is hydraulically connected to a cylinder-piston unit, whereby a hydraulic ratio can be realized.
  • the cylinder-piston unit serves as the so-called transmission member and ultimately actuates the throttle valve or the throttle valve lever attached to the throttle valve axis.
  • the side walls of this piezo-hydraulic pressure cell are preferably formed by so-called piezo-bimorph disks, which bend when an electrical voltage is applied and thus enlarge or reduce the volume of this pressure cell.
  • piezo bimorph disks can also be spatially connected in series, thereby forming several hydraulic individual chambers. Considered individually, only a small change in volume is achieved, but in total, a sufficient change in volume can be achieved when all piezo elements are actuated. Utilizing the hydraulic transmission, such a transmission element requires only a relatively small installation space, so that it is possible to attach this pressure cell in particular with its frame to the throttle valve socket receiving the throttle valve, as the exemplary embodiment explained later shows in more detail.
  • the transmission element is designed as a vocational step transmission, which is actuated in particular by high-performance piezo-oxide actuators.
  • a vocational step transmission which is actuated in particular by high-performance piezo-oxide actuators.
  • Such a vocational gearbox virtually integrates a large number of individual movements of a piezo element in one direction.
  • this embodiment can also only be used for idle control.
  • two piezo oxide actuators can act in mirror image on an actuating cylinder, which in turn forms the so-called throttle valve actuator and is thus arranged coaxially rotatable with respect to the throttle valve axis. If the throttle valve is to be opened, the first piezo-oxide actuator is actuated while the second actuator is lifted from the actuating cylinder; if the throttle valve is to be actuated in the closing direction, the second actuator is acted upon and the first actuator is lifted from the actuating cylinder.
  • a lifting magnet can be provided in each case, which counteracts a compression spring that presses the moving stamp of the piezo actuators against the actuating cylinder.
  • Reference number 1 denotes a throttle valve assembly of an internal combustion engine.
  • a throttle valve 3 is rotatably supported via the axis 2.
  • this throttle valve is operated as is known, i.e. on the throttle valve axis 2, two sheaves 4 are fastened, which accommodate the cables.
  • a return spring 5 which tends to move the throttle valve 3 into its closed position.
  • the rope pulley 4 is supported when the throttle valve 3 is closed on a shoulder 6a of an actuating cylinder 6 which is rotatable coaxially to the throttle valve axis 2.
  • This paragraph 6a is also referred to as the stop of the actuating cylinder 6, also referred to as the throttle valve actuator. If the actuating cylinder is thus rotated slightly in the direction of the arrow 7 in FIG. 2, the throttle valve 3 is opened slightly; a rotation against the direction of arrow 7 causes the throttle valve to close at least slightly.
  • the idle control of the internal combustion engine can also be carried out by rotating the actuating cylinder 6.
  • the moving punches 8a of two high-performance piezo-oxide actuators 8 act essentially tangentially on the wall of the actuating cylinder 6.
  • Such so-called PXE actuators are offered by Philipps-Valvo and are able to perform deflections of up to 100 micrometers in the millisecond range.
  • the moving pistons 8a of the actuators 8 are pressed against the wall of the actuating cylinder 6 by a compression spring 9 each.
  • each actuator 8 coaxially to the compression spring 9 engages a driving pin 10 which can be acted upon by a lifting magnet 11 in such a way that when this lifting magnet 11 is excited, the plunger 8a of the actuator 8 is lifted off the wall of the actuating cylinder 6.
  • the actuating cylinder 6 is thus rotated slightly according to arrow 7.
  • This right-hand piezo actuator 8 is then acted on in the opposite direction, ie the plunger performs a micro movement in the opposite direction of the arrow 12.
  • the right-hand piezo actuator 8 is then electrically acted upon again analogously to the first actuation, so that the plunger 8a again moves in the direction of the arrow 12.
  • the described actuating device for the throttle valve 3, consisting of the high-performance piezo-oxide actuators 8 as the piezoelectric actuator and a so-called mit step transmission as the transmission element, can be structurally attached in a simple manner to a throttle valve connector 1 of an internal combustion engine. All that is required for this is the retaining bracket designated with the reference number 13.
  • the space requirement of this actuating device is extremely small, moreover, as already explained at the beginning, this actuating device has the advantages of high precision and minimal time delay. Explicitly pointed out should be that with the help of such an actuating device not only the idle control can be realized on a throttle valve, but the entire actuation of the throttle valve can take place over the entire operating range of the internal combustion engine.
  • the piezoelectric actuator is designed as a so-called piezo-hydraulic pressure cell 20, while the transmission element is essentially formed by a cylinder-piston unit 21.
  • the same components as in Figures 1, 2 are also designated here with the same reference numerals.
  • the piezohydraulic pressure cell 20 which is shown in detail in particular in FIG. 5, consists of a cube-shaped frame 22, the side surfaces of which have circular openings 23. Each opening 23 is covered by a piezo bimorph disk 24. This pressure cell is completely filled with a suitable hydraulic fluid.
  • the piezo bimorph disks 24, which are also referred to as PXE bending elements (membranes), are described in more detail, for example, in the Philipps manual "Piezoxides - Properties and Applications" and have the property of changing their shape when subjected to electrical voltage, that a change in volume occurs.
  • this change in pressure and volume is caused by the designed as a cylinder-piston unit 21 transfer member.
  • the numerical values given in the paragraph above result in a positioning force of 9.3 N for a piston diameter of 2.2 mm and an achievable stroke of 10 mm. Since the piston of the cylinder-piston unit 21 acts on the stop of the throttle valve actuator or on the shoulder 6a of the actuating cylinder 6, the throttle valve can also be actuated by this, as desired, in particular for idling control.
  • FIG. 5 shows support rings 26 arranged between the piezo bimorph discs 24 and the frame 22.
  • the piezo bimorph discs 24 are soldered or glued to these support rings 26; the same connection technology is available between the support rings 26 and the frame 22.
  • a bellows 27 lying completely against its sides and thus also completely against the piezo bimorph disks 24 is further provided within this pressure cell 20.
  • this embodiment shown is only a preferred embodiment; In addition, there are of course a variety of other designs possible.
  • a piezohydraulic pressure cell could also contain a large number of piezo-bimorph displacement modules arranged one behind the other in a simple housing, in order also to achieve a pressure increase and a relatively large volume displacement when an electrical voltage is applied.
  • an extremely compact design is always possible with such a piezohydraulic pressure cell - as well as with the high-performance piezo-oxide actuators described at the outset, which operate via a pilgrim step transmission.
  • this pressure can 20 can also be easily attached to the throttle valve connector 1, in particular with its frame 22.

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Abstract

Einen Drosselklappen-Ansteller insbesondere für die Leerlaufregelung wird von einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Stellglied betätigt. Hierdurch ist eine hohe Präzision erzielbar. Beschrieben werden geeignete Übertragungsglieder, die die realtiv geringen Bewegungen eines Piezo-Elementes in eine ausreichende Bewegung zur Betätigung der Drosselklappe umwandeln. Nach einer ersten Ausführungsform betätigen Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren ein Pilgerschritt-Getriebe, nach einer zweiten Ausführungsform wirken PiezoBimorph-Scheiben auf ein Hydraulikvolumen ein und bilden somit eine über eine Zylinder-Kolben-Einheit auf die Drosselklappe einwirkende piezohydraulische Druckdose. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für eine Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Leerlaufregelung, mit einem über ein Übertragungsglied an der Drosselklappe angreifenden Stellglied.
  • Drosselklappen von Brennkraftmaschinen, mit Hilfe derer die Brennkraftmaschinen-Leistungsabgabe geregelt wird, werden im bekannten Stand der Technik auf verschiedenartige Weise betätigt. So kann beispielsweise über einen Seilzug oder ein Gestänge eine Bedienperson direkt auf einen an der Drosselklappenachse befestigten Hebel einwirken, wobei die Rückstellung der Drosselklappe in ihre geschlossene Position zumeist über ein Federelement erfolgt. Daneben ist aber auch eine elektromotorische Betätigung einer Drosselklappe bekannt. Bekannt ist es darüberhinaus, den sogenannten Leerlaufpunkt der Brennkraftmaschine ebenfalls elektromotorisch über eine entsprechende Betätigung der Drosselklappe einzustellen. Dabei wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung der Brennkraftmaschine die Drosselklappe nur soweit geöffnet, daß die Brennkraftmaschine mit der gewünschten Leerlaufdrehzahl läuft. Neben einem elektromotorisch betätigten Drosselklappen-Ansteller für die Leerlaufregelung (vgl. DE-OS 29 42 443) sind aber auch durch Unterdruck betätigte Drosselklappen-Ansteller bekannt geworden, so beispielsweise aus der DE-OS 38 42 397.
  • Da durch Unterdruck betätigte Drosselklappen-Ansteller relativ ungenau und mit einer hohen Zeitverzögerung arbeiten und elektromotorisch betätigte Drosselklappen-Ansteller einen hohen Bau- und Kostenaufwand bedingen und darüberhinaus viel Bauraum erfordern, hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Stellglied zur Betätigung einer Brennkraftmaschinen-Drosselklappe aufzuzeigen, das einerseits präzise und schnell arbeitet und andererseits wenig Bauraum benötigt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Stellglied, das unter anderem im Hinblick auf ein die geringe Auslenkung einer Piezokeramik oder eines magnetostriktiven Materials in eine ausreichende Drosselklappen-Stellbewegung übersetzendes Übertragungsglied in den Unteransprüchen weiter ausgebildet ist.
  • Piezoelektrische Stellglieder bzw. Aktuatoren zeichnen sich durch ein äußerst schnelles Ansprechverhalten sowie durch höchste Präzision im Hinblick auf die entsprechend einer Erregung ausgeführte Bewegung aus. Ferner benötigen übliche Piezo-Aktuatoren so wenig Bauraum, daß sie auf einfache Weise inklusive eines geeigneten Übertragungsgliedes an einen üblichen Brennkraftmaschinen-Drosselklappenstutzen angebaut werden können. Zwar ist aus der bereits oben erwähnten DE-OS 38 42 397 die Verwendung eines Piezo-Elementes in Zusammenhang mit einer Drosselklappen-Betätigung bekannt, jedoch dient dort dieses Piezo-Element lediglich dazu, eine Verbindung zwischen dem Drosselklappen-Ansteller sowie dem Drosselklappen-Hebel zu unterbrechen. Eine Betätigung des Drosselklappen-Hebels bzw. der Drosselklappe durch das Piezo-Element selbst ist dort jedoch nicht vorgesehen.
  • Anstelle eines piezoelektrischen Stellgliedes, d. h. an Stelle einer Piezokeramik kann auch ein magnetostriktives Stellglied zum Einsatz kommen. Derartige metallische Legierungen reagieren auf Änderungen eines anliegenden Magnetfeldes ähnlich den Piezoxid-Stellgliedern bei Änderung der angelegten elektrischen Spannung. Daher wird im folgenden nur mehr von piezoelektrischen Stellgliedern gesprochen, wobei die gleichen Erläuterungen auch für magnetostriktive Materialien, beispielsweise Terfenol, gelten sollen.
  • Es bestehen viele Möglichkeiten, die für sich betrachtet relativ geringen Bewegungen eines einzelnen Piezo-Elementes in eine für eine Drosselklappen-Betätigung ausreichende Bewegung umzusetzen. Theoretisch könnte man beispielsweise Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren, die bei elektrischer Beaufschlagung Auslenkungen von bis zu 100 Mikrometern erreichen, direkt auf die Drosselklappenachse in ca. 1 Millimeter Abstand zum Drehpunkt einwirken lassen, da damit eine piezoelektrische Verstellung der Drosselklappe im Bereich von ca. 2 mm am Drosselklappenrand prinzipiell möglich wäre. Eine derartige Drosselklappenbewegung ist aber für eine Leerlaufregelung bereits ausreichend. Tatsächlich hingegen sind an Brennkraftmaschinen jedoch die hierfür erfoderlichen Toleranzen nicht einhaltbar. Daher werden im weiteren besonders vorteilhafte Übertragungsglieder beschrieben.
  • In einer ersten Ausführungsform kann eine sogenannte piezo-hydraulische Druckdose zum Einsatz kommen. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für die Realisierung einer Leerlaufregelung über eine Drosselklappen-Betätigung. Diese piezo-hydraulische Druckdose besitzt ein Hydraulikvolumen, das durch elektrische Ansteuerung von Piezo-Elementen veränderbar ist. Dieses Hydraulikvolumen ist hydraulisch mit einer Zylinder-Kolben-Einheit verbunden, wobei eine hydraulische Übersetzung realisiert werden kann. Die Zylinder-Kolben-Einheit dient dabei als das sogenannte Übertragungsglied und betätigt letztlich die Drosselklappe bzw. den an der Dosselklappenachse befestigten Drosselklappenhebel. Bevorzugt werden die Seitenwände dieser piezo-hydraulischen Druckdose durch sogenannte Piezo-Bimorph-Scheiben gebildet, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung verbiegen und somit das Raumvolumen dieser Druckdose vergrößern oder verkleinern. Zusätzlich können mehrere dieser Piezo-Bimorph-Scheiben auch räumlich in Reihe geschaltet sein und dabei mehrere hydraulische Einzelkammern bilden. Jeweils für sich betrachtet erzielt man lediglich eine geringe Volumenänderung, in Summe betrachtet jedoch ist eine ausreichende Volumenänderung bei Ansteuerung sämtlicher Piezo-Elemente erzielbar. Unter Ausnutzung der hydraulischen Übersetzung benötigt ein derartiges Übertragungsglied lediglich einen relativ geringen Bauraum, so daß es möglich ist, diese Druckdose insbesondere mit ihrem Rahmen an dem die Drosselklappe aufnehmenden Drosselklappenstutzen zu befestigen, wie das später erläuterte Ausführungsbeispiel näher zeigt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Übertragungsglied als Pilgerschritt-Getriebe ausgebildet, das insbesondere durch Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren betätigt wird. Ein derartiges Pilgerschritt-Getriebe integriert quasi eine Vielzahl von Einzelbewegungen eines Piezo-Elementes in einer Richtung auf. Es wird vorgeschlagen, für eine Öffnungsbewegung sowie für eine Schließbewegung der Drosselklappe jeweils einen Piezo-Aktuator sowie ein Übertragungsglied vorzusehen, wobei sich diese Ausführungsform mit dem Pilgerschritt-Getriebe in hervorragender Weise auch dafür eignet, die Drosselklappe über ihren gesamten Verstellbereich zu betätigen. Selbstverständlich läßt sich jedoch auch diese Ausführungsform lediglich für eine Leerlaufregelung einsetzen. In einer konstruktiv besonders einfachen und dabei wirkungsvollen Gestaltung können zwei Piezoxid-Aktuatoren spiegelbildlich an einem Stellzylinder angreifen, der seinerseits den sogenannten Drosselklappen-Ansteller bildet und somit koaxial verdrehbar zur Drosselklappen-Achse angeordnet ist. Soll die Drosselklappe geöffnet werden, so wird der erste Piezoxid-Aktuator betätigt, während der zweite Aktuator vom Stellzylinder abgehoben wird; soll die Drosselklappe im Schließsinn betätigt werden, so wird der zweite Aktuator beaufschlagt und der erste Aktuator vom Stellzylinder abgehoben. Um die Piezoxid-Aktuatoren vom Stellzylinder abzuheben, kann jeweils ein Hubmagnet vorgesehen sein, der einer den sich bewegenden Stempel der Piezo-Aktuatoren gegen den Stellzylinder pressenden Druckfeder entgegenwirkt.
  • Längsriefen in der Wand des Stellzylinders verbessern die Bewegungsübertragung von den sich bewegenden Stempeln der Piezoxid-Aktuatoren auf die Stellzylinder in der gewünschten Richtung. Um diese im wesentlichen in Zylinder-Achsrichtung verlaufenden Riefen auf einfache Weise zu erzeugen, wird vorgeschlagen, den Zylinder - wie dies auch für andere Bauteile bekannt ist - aus einer Ronde rückwärts fließend zu pressen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt:
    • Figur 1
    die Aufsicht auf einen Drosselklappenstutzen mit einem Pilgerschritt-Getriebe als Übertragungsglied sowie zwei Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren als Stellglied,
    Figur 2
    die Ansicht X aus Figur 1,
    Figur 3
    die Aufsicht auf einen Drosselklappenstutzen mit einer piezohydraulischen Druckdose als Stellglied,
    Figur 4
    die Ansicht X aus Figur 3 sowie
    Figur 5
    eine vergrößerte Ansicht der piezohydraulischen Druckdose.
  • Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Drosselklappenstutzen einer Brennkraftmaschine bezeichnet. In diesem Drosselklappenstutzen 1 ist über die Achse 2 eine Drosselklappe 3 drehbar gelagert. Zur Leistungsregelung über dem gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine wird diese Drosselklappe wie bekannt betätigt, d.h. auf der Drosselklappenachse 2 sind zwei Seilscheiben 4 befestigt, die Seilzüge aufnehmen. Ferner ist eine Rückstellfeder 5 vorhanden, die die Drosselklappe 3 in ihre geschlossene Position zu bewegen trachtet.
  • Wie insbesondere Figur 2 zeigt, stützt sich die Seilscheibe 4 bei geschlossener Drosselklappe 3 an einem Absatz 6a eines koaxial zur Drosselklappenachse 2 drehbar angeordneten Stellzylinders 6 ab. Dieser Absatz 6a wird auch als Anschlag des auch als Drosselklappen-Ansteller bezeichneten Stellzylinders 6 bezeichnet. Wird somit der Stellzylinder geringfügig gemäß Pfeilrichtung 7 in Figur 2 verdreht, so wird die Drosselklappe 3 geringfügig geöffnet; eine Verdrehung gegen die Pfeilrichtung 7 bewirkt ein zumindest geringfüges Schließen der Drosselklappe. Somit kann durch Verdrehen des Stellzylinders 6 auch die Leerlaufregelung der Brennkraftmaschine erfolgen.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1, 2 greifen im wesentlichen tangential an der Wand des Stellzylinders 6 die sich bewegenden Stempel 8a zweier Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren 8 an. Derartige sogenannte PXE-Aktuatoren werden von Philipps-Valvo angeboten und sind in der Lage, im Millisekundenbereich Auslenkungen von bis zu 100 Mikrometern auszuführen. Gegen die Wand des Stellzylinders 6 werden die sich bewegenden Stempel 8a der Aktuatoren 8 von jeweils einer Druckfeder 9 gepreßt. Ferner greift an jedem Akutator 8 koaxial zur Druckfeder 9 ein Mitnahmebolzen 10 an, der jeweils von einem Hubmagneten 11 derart beaufschlagbar ist, daß bei Erregung dieses Hubmagneten 11 der Stempel 8a des Aktuators 8 von der Wand des Stellzylinders 6 abgehoben wird.
  • Soll nun die Drosselklappe 3 und somit der Stellzylinder 6 gemäß Pfeilrichtung 7 in Figur 2 bewegt werden, so erfolgt dies durch Ansteuerung des rechts angeordneten piezoelektrischen Stellgliedes, d.h. durch Ansteuerung des rechten Hochleistungs-Piezoxid-Aktuators 8. Gleichzeitig wird der linke Aktuator 8 durch Erregung des linken Hubmagneten 11 vom Stellzylinder 6 abgehoben. Bei der erstmaligen Beaufschlagung des rechten Aktuators 8 bewegt sich der Stempel 8a gemäß Pfeil 12 und überträgt diese Bewegung wie gewünscht direkt auf den Stellzylinder 6, da der Stempel 8a nicht nur durch die Druckfeder 9, sondern auch durch seine eigene Bewegungsrichtung verstärkt gegen den Stellzylinder 6 gepreßt wird. Entsprechend der Mikrobewegung des Stempels 8a gemäß Pfeil 12 wird somit der Stellzylinder 6 geringfügig gemäß Pfeil 7 verdreht. Anschließend wird dieser rechte Piezo-Aktuator 8 im Gegensinn beaufschlagt, d.h. der Stempel führt eine Mikrobewegung entgegen Pfeilrichtung 12 durch. Dies führt aufgrund der gezeigten Anordnung jedoch dazu, daß der Stempel 8a mit einer deutlich geringeren Anpreßkraft auf der Wand des Stellzylinders 6 aufliegt, so daß diese Rückbewegung kaum bzw. gar nicht auf den Stellzylinder 6 übertragen wird. Anschließend wird der rechte Piezo-Aktuator 8 wieder analog der ersten Ansteuerung elektrisch beaufschlagt, so daß sich nun wiederum der Stempel 8a gemäß Pfeilrichtung 12 bewegt. Wie bereits erläutert wird diese Bewegung wieder im wesentlichen auf den Stellzylinder 6 übertragen. Durch Aneinanderreihen einer Vielzahl derartiger Schritte, die jeweils im Millisekundenbereich durchgeführt werden, kann in diesem sogenannten Pilgerschritt-Verfahren der Stellzylinder 6 den jeweiligen Anforderungen entsprechend gemäß Pfeilrichtung 7 verdreht und somit die Drosselklappe 3 geöffnet werden.
  • Ein Schließen der Drosselklappe, d.h. eine Bewegung des Stellzylinders 6 gegen Pfeilrichtung 7 erfolgt durch Beaufschlagung des linken Hochleistungs-Piezoxid-Aktuators 8, während der rechte Piezoxid-Aktuator 8 dann mit seinem Stempel 8a von der Wand des Stellzylinders 6 abgehoben ist. Wird hingegen keine Bewegung des Stellzylinders 6 gewünscht, so können beide Aktuatoren 8 am Stellzylinder 6 anliegen; dies erfolgt, wie erläutert, allein unter Einfluß der Druckfeder 9; eine Erregung der beiden Hubmagneten 11 ist dabei nicht erforderlich.
  • Wie ersichtlich läßt sich die beschriebene Betätigungsvorrichtung für die Drosselklappe 3, bestehend aus den Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren 8 als dem piezoelektrischen Stellglied sowie einem sogenannten Pilgerschritt-Getriebe als Übertragungsglied auf einfache Weise baulich an einem Drosselklappenstutzen 1 einer Brennkraftmaschine anbringen. Hierzu ist lediglich der mit der Bezugziffer 13 bezeichnete Haltebügel erforderlich. Der Bauraumbedarf dieser Betätigungsvorrichtung ist äußerst gering, darüberhinaus hat diese Betätigungsvorrichtung - wie bereits eingangs erläutert - die Vorteile hoher Präzision sowie minimaler Zeitverzögerung. Ausdrücklich daraufhingewiesen werden soll, daß mit Hilfe einer derartigen Betätigungsvorrichtung nicht nur die Leerlaufregelung an einer Drosselklappe realisiert werden kann, sondern die gesamte Betätigung der Drosselklappe über dem gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine erfolgen kann.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 bis 5 ist das piezoelektrische Stellglied als sogenannte piezohydraulische Druckdose 20 ausgebildet, während das Übertragungsglied im wesentlichen durch eine Zylinder-Kolben-Einheit 21 gebildet wird. Gleiche Bauteile wie in den Figuren 1, 2 sind auch hier mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • Die insbesondere in Figur 5 detailliert dargestellt piezohydraulische Druckdose 20 besteht aus einem würfelförmigen Rahmen 22, dessen Seitenflächen kreisförmige Druchbrüche 23 aufweisen. Jeder Durchbruch 23 ist von einer Piezo-Bimorph-Scheibe 24 abgedeckt. Diese Druckdose ist vollständig mit einer geeigneten Hydraulikflüssigkeit befüllt. Die Piezo-Bimorph-Scheiben 24, die auch als PXE-Biegeelemente (Membranen) bezeichnet werden, sind beispielsweise im Philipps Handbuch "Piezoxide - Eigenschaften und Anwendungen" näher beschrieben und haben die Eigenschaft, ihre Form bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung so zu verändern, daß eine Volumenänderung eintritt. So ergibt sich z.B. beispielsweise bei der gezeigten Konfiguration mit sechs Scheiben PXE-Bimorphe mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Dicke von 1,2 mm bei einer angelegten Spannung von 300 Volt eine Volumenänderung von 39 mm³ bei einem Druck von 24 bar.
  • Über einen vom Innenraum der Druckdose 20 abzweigenden Stutzen 25 sowie eine sich daran anschließende Hydraulikleitung wird diese Druck- und Volumenänderung auf das als Zylinder-Kolben-Einheit 21 ausgebildete Übertragungsglied übertragen. Mit den im obigen Absatz angegebenen Zahlenwerten ergibt sich bei einem Kolbendurchmesser von 2,2 mm eine Stellkraft von 9,3 N sowie ein erzielbarer Hub von 10 mm. Da der Kolben der Zylinder-Kolben-Einheit 21 auf den Anschlag des Drosselklappen-Anstellers bzw. auf den Absatz 6a des Stellzylinders 6 einwirkt, kann durch diesen wie gewünscht die Drosselklappe insbesondere auch für eine Leerlaufregelung betätigt werden.
  • Durch Umpolen der an die Piezo-Bimorph-Scheiben 24 angelegten Spannung entsteht genau die umgekehrt gerichtete Druck- und Volumenänderung. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, Verluste der Hydraulikflüssigkeit durch Nachsaugen dieser Flüssigkeit durch ein Rückschlagventil oder ähnliches aus einem Reservoir auszugleichen. Auch kann durch diesen Effekt einfach und kontrollierbar (PXE ist gleichzeit Aktuator und Sensor) eine definierte Druckvorspannung in der Hydraulikflüssigkeit erzielt werden.
  • Figur 5 zeigt zwischen den Piezo-Bimorph-Scheiben 24 sowie dem Rahmen 22 angeordnete Abstützringe 26. Auf diese Abstützringe 26 sind die Piezo-Bimorph-Scheiben 24 aufgelötet oder aufgeklebt; die gleiche Verbindungstechnik bietet sich zwischen den Abstützringen 26 sowie den Rahmen 22 an. Um einen unkontrollierten Austritt von Hydraulikflüssigkeit aus der piezohydraulischen Druckdose 20 über Leckagestellen zu verhindern, ist ferner innerhalb dieser Druckdose 20 ein vollständig an deren Seiten und damit auch vollständig an den Piezo-Bimorph-Scheiben 24 anliegender Balg 27 vorgesehen. Jedoch soll darauf hingewiesen werden, daß diese gezeigte Ausführungsform lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt; daneben sind selbstverständlich eine Vielzahl von anderen Gestaltungen möglich. Beispielsweise könnte eine piezohydraulische Druckdose auch eine Vielzahl von hintereinander in einem einfachen Gehäuse angeordnete Piezo-Bimorph-Verdrängungsmodulen enthalten, um ebenfalls bei Anliegen einer elektrischen Spannung eine Druckerhöhung sowie eine relativ große Volumenverdrängung zu erzielen. Stets ist jedoch mit einer derartigen piezohydraulischen Druckdose - ebenso wie mit den eingangs erläuterten über ein Pilgerschritt-Getriebe wirkenden Hochleistungs-Piezoxid-Aktuatoren - eine äußerst kompakte Bauweise möglich. Wie ersichtlich, läßt sich nämlich auch diese Druckdose 20 insbesondere mit ihrem Rahmen 22 einfach am Drosselklappenstutzen 1 befestigen. Dabei zeichnen sich sämtliche der lediglich als bevorzugte Ausführungsbeispiele beschriebenen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Stellglieder zusätzlich durch eine äußerst hohe Präzision sowie durch eine lediglich minimale Zeitverzögerung im Hinblick auf die realisierbaren Drosselklappen-Stellzeiten aus. Möglich sind eine Vielzahl von Abwandlungen, die weiterhin unter den Inhalt der Patentansprüche fallen.

Claims (8)

  1. Betätigungsvorrichtung für eine Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Leerlaufregelung, mit einem über ein Übertragungsglied an der Drosselklappe 3 angreifenden Stellglied,
    gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Stellglied (Hochleistungs-Piezoxid-Aktuator 8, Piezo-Bimorph-Scheibe 24).
  2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische oder magnetostriktive Stellglied als (piezohydraulische) Druckdose (20) ausgebildet ist, die hydraulisch mit dem als Zylinder-Kolben-Einheit (21) ausgebildeten Übertragungsglied verbunden ist, und deren Hydraulikvolumen durch elektrische Ansteuerung von Piezo- oder Magnetostriktiv-Elementen (24) veränderbar ist.
  3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der im wesentlichen quaderförmigen piezohydraulischen Druckdose durch an einem Rahmen (22) befestigte Piezo-Bimorph-Scheiben (24) (PXE-Biegeelemente/Membranen) gebildet werden.
  4. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3
    dadurch gekennzeichnet, daß die piezohydraulische Druckdose mehrere von Piezo-Bimorph-Scheiben begrenzte, sich aneinander anschließende Hydraulikkammern enthält.
  5. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die piezohydraulische Druckdose (20) insbesondere mit ihrem Rahmen (22) an dem die Drosselklappe (3) aufnehmenden Drosselklappenstutzen (1) befestigt ist.
  6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied als Pilgerschritt-Getriebe ausgebildet ist, daß durch zumindest ein insbesondere als HochleistungsPiezoxid- oder Magnetostriktiv-Aktuator (8) ausgebildetes piezoelektrisches oder magnetostriktives Stellglied betätigt wird.
  7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß spiegelbildlich angeordnet zwei im wesentlichen tangential an einem koaxial zur Drosselklappenachse (2) angeordneten Stellzylinder (6) angreifende Piezoxid-Aktuatoren (8) vorgesehen sind, die insbesondere durch Druckfedern (9) gegen die Wand des Stellzylinders (6) gepreßt werden und insbesondere durch Hubmagnete vom Stellzylinder (6) abhebbar sind.
  8. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Stellzylinders (6) im wesentlichen in Zylinderachsrichtung verlaufende Riefen aufweist.
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