EP1893859A1 - Elektromechanischer antrieb zum steuern und regeln einer als durchflussmodulator fungierenden drosselklappe in einem rohr - Google Patents

Elektromechanischer antrieb zum steuern und regeln einer als durchflussmodulator fungierenden drosselklappe in einem rohr

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EP1893859A1
EP1893859A1 EP03788971A EP03788971A EP1893859A1 EP 1893859 A1 EP1893859 A1 EP 1893859A1 EP 03788971 A EP03788971 A EP 03788971A EP 03788971 A EP03788971 A EP 03788971A EP 1893859 A1 EP1893859 A1 EP 1893859A1
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EP
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rod
throttle valve
drive according
axis
regulating
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EP03788971A
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Jörg Hansen
Karl Hörmann
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AKUVIB ENGINEERING AND TESTING GmbH
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Deutsche Montan Technologie GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D11/10—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
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Definitions

  • Electromechanical drive for controlling and regulating a throttle valve acting as a flow modulator in a pipe
  • the invention relates to an electromechanical drive for controlling and regulating a throttle valve functioning as a flow modulator with an axis in a tube.
  • EP 0 647 348 B1 proposes an electromechanical drive with a rotor and a stator, the rotor being connected directly to the axis of the throttle valve. This makes it possible for the flow modulator to reach frequencies in the order of a few hundred hertz.
  • the invention is based on the object of providing a drive for controlling and regulating a throttle valve functioning as a flow modulator, which is robust and is inexpensive and which enables higher accelerations by reducing the mass to be moved and thereby a significant increase in the usable frequency range.
  • the drive should have a low power consumption and enable control of the vibration behavior.
  • the invention is based on the basic idea of providing a drive in which a translatory movement is generated, which is converted into a tilting movement in the region of the axis of the throttle valve.
  • the translational movement is generated in a vibration generator, in which one end of a rod is set in vibration, the vibration can be generated in the form of an up and down movement or a back and forth movement.
  • This translational movement is converted into a tilting movement in the region of the axis of the throttle valve, the movement being understood to mean an oscillation of approximately 3 to 10 degrees around a rest position. That is, the throttle valve performs a controlled or regulated flutter movement.
  • a coil with an iron core, to which an active counter bearing is assigned, can be used as the vibration generator.
  • the active counter bearing can be a spring of a coil or a magnet.
  • Pneumatic, hydraulic solutions are also conceivable.
  • Compressible media e.g. a gel pad is also possible.
  • a piezo component to which a counter bearing is assigned, can be used as the vibration generator.
  • the counter bearing can also be designed as a piezo block.
  • the vibration is converted into a tilting movement by the appropriate connections in the region of the axis.
  • the rod is supported in such a way that a lever is created and the other end of the rod is connected to the axis of the throttle valve via an eccentric.
  • Another possibility is to connect the rod to the axis of the throttle valve via gear wheels.
  • the rod When the rod moves back and forth, the rod is connected to the axis of the throttle valve via a rocker arm.
  • the tilting movement of the throttle valve can be limited by end stops.
  • the vibration behavior can be controlled and a targeted influence can be exerted on the vibration behavior by a damping element which is arranged on the rod.
  • This damping element can be designed passively or actively. By actively controlling the damping element, age-related changes can be eliminated.
  • the following advantages are achieved by the drive according to the invention: only small masses have to be moved. This enables faster movements and accelerations. It is much cheaper than the drives known from the prior art. There are no storage problems. A larger frequency range is possible. The vibration can be influenced in a targeted manner by means of adjustable damping.
  • the drive according to the invention has a low current consumption.
  • a pipe is to be understood as any pipe through which a fluid flows and whose flow is to be influenced by the throttle valve acting as a flow modulator. This is e.g. B. the case with exhaust pipes.
  • Another application is the intake pipe of an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a drive with a vibration generator with up and down movement in a side view
  • FIG. 2 shows the drive of FIG. 1 in a top view
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the vibration generator with piezo components
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the vibration generator with a coil and a spring
  • FIG. 5 shows an embodiment of the vibration generator with two coils
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a drive with a vibration generator with a back and forth movement
  • Figure 7 shows another embodiment of the drive with a vibration generator with a back and forth movement
  • Figure 8 shows an embodiment of the drive with a gear.
  • FIG. 1 shows a tube 1 in which a throttle valve 2 with an axis 3 is arranged. On the axis 3, an eccentric 4 is attached, which is connected to a rod 5.
  • the rod 5 is stored in a bearing 6.
  • the other end of the rod 5 is located in a vibration generator which consists of a coil 8 with an iron core 9 and a coil 10 with an iron core 9a and a spring 11.
  • An oscillation of the rod 5 is generated by the oscillation generator.
  • the bearing 5 balances the rod 5 such that the vibration generator only has to work against the damping of the damping element 7. This mass distribution enables high accelerations / speeds.
  • Figure 2 shows the drive of Figure 1 in plan view.
  • the reference symbols have the same meaning as in FIG. 1.
  • the throttle valve 2 with the axis 3 is arranged in the tube 1.
  • the axis 3 is mounted outside of the tube 1 in a bearing 12.
  • the damping element 7 can be regulated by a controller 13.
  • a regulator 14 regulates the vibration generator.
  • FIG. 3 shows an oscillation generator for the up and down movement.
  • the rod 5 is located at one end between two piezo components 20 and 21, which cause the rod 5 to oscillate up and down.
  • the rod is caused to oscillate up and down by a coil 8 with an iron core 9 and a spring 11 as an active counter bearing.
  • FIG. 5 shows a vibration generator for the up and down movement with a coil 8 with an iron core 9 and a coil 10 with an iron core 9a as an active counter bearing.
  • FIG. 6 shows a vibration generator for a back and forth movement.
  • a coil 23 and a coil 24 generate a magnetic field, by means of which a magnet 25, which is connected to the rod 5, can be set in vibration.
  • the rod 5 is held by springs 26 and 27 and possibly dampened in the vibration.
  • the back and forth vibration of the rod 5 is transmitted to the throttle valve via a rocker arm 28 which is fastened to the axis 3 of the throttle valve 2.
  • the rocker arm converts the translatory movement into a rocking movement.
  • the tilting movement is limited by an end stop 29.
  • FIG. 7 shows an oscillation generator for the back and forth movement.
  • the piezo block 20 with the spring 26 causes the rod 5 to oscillate back and forth, which is thus transmitted via the rocker arm 28 as a rocking movement to the throttle valve 2, which is not shown.
  • a damping element 30 is arranged, which also serves as a guide sleeve.
  • FIG. 8 shows a vibration generator 31 for the back and forth movement.
  • the rod 5 is designed in the region of the axis 3 as a rack 32.
  • the rack 32 engages in a gear 33 which is fixed on the axis 3.
  • the back and forth movement or the tilting movement is limited by end stops 34 and 34a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Antrieb zum Steuern und Regeln einer als Durchflussmodulator fungierenden Drosselklappe (2) mit einer Achse (3) in einem Rohr (1), wobei eine Stange (5) an einem Ende in einem Schwingungserzeuger angeordnet ist und das andere Ende der Stange (5) mit der Achse (3) der Drosselklappe (2) verbunden ist.

Description

Elektromechanischer Antrieb zum Steuern und Regeln einer als Durchflussmodulator fungierenden Drosselklappe in einem Rohr
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Antrieb zum Steuern und Regeln einer als Durchflussmodulator fungierenden Drosselklappe mit einer Achse in einem Rohr.
Aus der EP 0 647 348 Bl sind Antriebe für als Durchflussmodulator fungierende Drosselklappen bekannt. Als Antriebe werden ein Schrittmotor bzw. ein Elektromotor mit Rückholfeder offenbart. Diese Motoren steuern direkt die Achse der Drosselklappe. Der Antrieb mit einem Elektromotor ist sehr störanfällig, da sich die Bürsten schnell abnutzen, da er dauernd im Anlaufbetrieb arbeitet. Auf Grund der großen Massen kann sich der Motor nicht so schnell bewegen um die für die Drosselklappe notwendigen Schwingungsfrequenzen zu erreichen.
Deshalb wird in der EP 0 647 348 Bl ein elektromechanischer Antrieb mit einem Rotor und einem Stator vorgeschlagen, wobei der Rotor direkt mit der Achse der Drosselklappe verbunden ist. Dadurch ist es möglich, dass der Durchflussmodulator Frequenzen in der Größenordnung bis einige hundert Hertz erreichen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antrieb zum Steuern und Regeln einer als Durchflussmodulator fungierenden Drosselklappe zur Verfügung zu stellen, der robust und preiswert ist und der durch Verringerung der zu bewegenden Masse höhere Beschleunigungen und dadurch eine deutliche Erhöhung des nutzbaren Frequenzbereiches ermöglicht. Außerdem soll der Antrieb eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen sowie eine Kontrolle des Schwingungsverhaltens ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen erfolgen gemäß den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, einen Antrieb bereit zu stellen, bei dem eine translatorische Bewegung erzeugt wird, die im Bereich der Achse der Drosselklappe-in eine Kippbewegung umgewandelt wird.
Die translatorische Bewegung wird in einem Schwingungserzeuger erzeugt, in dem ein Ende eines Stabes in Schwingung versetzt wird, dabei kann die Schwingung in Form einer Auf- und Abbewegung oder einer Hin- und Herbewegung erzeugt werden. Diese translatorische Bewegung wird im Bereich der Achse der Drosselklappe in eine Kippbewegung umgewandelt, wobei bei der Bewegung eine Schwingung um ca. 3 - 10 Grad um eine Ruheposition zu verstehen ist. D.h., die Drosselklappe führt eine gesteuerte oder geregelte Flatterbewegung aus.
Als Schwingungserzeuger kann eine Spule mit Eisenkern, der ein aktives Gegenlager zugeordnet ist, verwendet werden. Das aktive Gegenlager kann eine Feder einer Spule oder ein Magnet sein. Pneumatische, hydraulische Lösungen sind ebenfalls denkbar. Komprimierbare Medien, wie z.B. ein Gel-Pad sind ebenfalls möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann als Schwingungserzeuger ein Piezobaustein, dem ein Gegenlager zugeordnet ist, verwendet werden. Dabei kann das Gegenlager ebenfalls als Piezobausein ausgebildet werden.
Je nach dem ob in dem Schwingungserzeuger eine Auf- und Abbewegung oder eine Hin- und Herbewegung erzeugt wird, wird die Schwingung durch die geeignete Verbindungen im Bereich der Achse in einer Kippbewegung umgewandelt. Bei einer Auf- und Abbewegung wird die Stange derart gelagert, dass ein Hebel entsteht und das andere Ende der Stange über einen Exzenter mit der Achse der Drosselklappe verbunden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Stange über Zahnräder mit der Achse der Drosselklappe zu verbinden.
Sollen nur geringe Schwingungsamplituden der Drosselklappe erzeugt werden ist es auch möglich die Stange direkt mit der Achse zu verbinden.
Bei einer Hin- und Herbewegung der Stange wird die Stange über einen Kipphebel mit der Achse der Drosselklappe verbunden. Durch Endanschläge kann die Kippbewegung der Drosselklappe begrenzt werden.
Durch ein Dämpfungselement, das an der Stange angeordnet ist, kann das Schwingverhalten kontrolliert werden und eine gezielte Einflussnahme in das Schwingungsverhalten vorgenommen werden. Dieses Dämpfungselement kann passiv oder aktiv ausgelegt werden. Über eine aktive Steuerung des Dämpfungselementes können alterungsbedingte Veränderungen eliminiert werden.
Durch den erfindungsgemäßen Antrieb werden folgende Vorteile erzielt: Es müssen lediglich geringe Massen bewegt werden. Dadurch sind schnellere Bewegungen und Beschleunigungen möglich. Er ist wesentlich preisgünstiger als die aus dem Stand der Technik bekannten Antriebe. Es entstehen keine Lagerungsprobleme. Ein größerer Frequenzbereich ist möglich. Durch eine regelbare Dämpfung kann die Schwingung gezielt beeinflusst werden. Der erfindungsgemäße Antrieb weist eine geringe Stromaufnahme auf.
Unter einem Rohr ist jede Leitung zu verstehen, durch die ein Fluid strömt und deren Strömung durch die als Durchflussmodulator fungierende Drosselklappe beeinflusst werden soll. Dies ist z. B. bei Auspuffrohrleitungen der Fall. Eine andere Anwendung ist das Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschrieben erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Antriebes dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Antriebes mit einem Schwingungserzeuger mit Auf- und Abbewegung in der Seitenansicht,
Figur 2 den Antrieb der Figur 1 in der Draufsicht,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des Schwingungserzeugers mit Piezobausteinen,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel des Schwingungserzeugers mit einer Spule und einer Feder,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel des Schwingungserzeugers mit zwei Spulen,
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Antriebes mit einem Schwingungserzeuger mit Hin- und Herbewegung,
Figur 7 eine weitere Ausführungsform des Antriebes mit einem Schwingungserzeuger mit Hin- und Herbewegung und
Figur 8 eine Ausführungsform des Antriebes mit einem Zahnrad.
In der Figur 1 ist ein Rohr 1 in dem eine Drosselklappe 2 mit einer Achse 3 angeordnet ist, dargestellt. An der Achse 3 ist ein Exzenter 4 angebracht, der mit einer Stange 5 verbunden ist. Die Stange 5 ist in einer Lagerung 6 gelagert. Das andere Ende der Stange 5 befindet sich in einem Schwingungserzeuger, der auf einer Spule 8 mit einem Eisenkern 9 sowie einer Spule 10 mit Eisenkern 9a und einer Feder 11 besteht. Durch den Schwingungserzeuger wird eine Auf- und Abschwingung der Stange 5 erzeugt. Diese Auf- und Ab- Schwingung wird über den Exzenter 4 auf die Drosselklappe 2 übertragen. Durch ein Dämpfungselement 7 kann das Schwingungsverhalten gezielt beeinflusst werden.
Durch die Lagerung 6 wird die Stange 5 derart ausbalanciert, dass der Schwingungserzeuger nur gegen die Dämpfung des Dämpfungselements 7 zu arbeiten hat. Durch diese Massenverteilung werden hohe Beschleunigungen/Geschwindigkeiten ermöglicht.
Die Figur 2 zeigt den Antrieb der Figur 1 in der Draufsicht. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in der Figur 1. In dem Rohr 1 ist die Drosselklappe 2 mit der Achse 3 angeordnet. Die Achse 3 ist außerhalb des Rohres 1 in einer Lagerung 12 gelagert. Durch einen Regler 13 kann das Dämpfungselement 7 geregelt werden. Ein Regler 14 regelt den Schwingungserzeuger.
In der Figur 3 ist ein Schwingungserzeuger für die Auf- und Abbewegung dargestellt. Die Stange 5 befindet sich mit ihrem einen Ende zwischen zwei Piezobausteinen 20 und 21, die die Stange 5 in eine Auf- und Abschwingung versetzen.
Aus der Figur 4 geht hervor, dass die Stange durch einen Spule 8 mit einem Eisenkern 9 und einer Feder 11 als aktives Gegenlager in eine Auf- und Abschwingung versetzt wird.
In der Figur 5 ist ein Schwingungserzeuger für die Auf- und Abbewegung mit einer Spule 8 mit einem Eisenkern 9 sowie als aktives Gegenlager eine Spule 10 mit einem Eisenkern 9a dargestellt.
In der Figur 6 wird ein Schwingungserzeuger für eine Hin- und Herbewegung gezeigt. Eine Spule 23 und eine Spule 24 erzeugt ein Magnetfeld, durch das ein Magnet 25, der mit der Stange 5 verbunden ist, in Schwingung versetzt werden kann. Die Stange 5 wird durch Federn 26 und 27 gehalten und gegebenenfalls in der Schwingung gedämpft. Die Hin- und Herschwingung der Stange 5 wird über einen Kipphebel 28, der an der Achse 3 der Drosselklappe 2 befestigt ist, auf die Drosselklappe übertragen. Durch den Kipphebel wird die translatorische Bewegung in eine Kippbewegung umgewandelt. Die Kippbewegung wird durch einen Endanschlag 29 begrenzt. In der Figur 7 ist ein Schwingungserzeuger für die Hin- und Herbewegung dargestellt. Durch den Piezobaustein 20 mit der Feder 26 wird die Stange 5 in eine Hin- und Herschwingung versetzt, die so über den Kipphebel 28 als Kippbewegung auf die Drosselklappe 2, die nicht dargestellt ist, übertragen wird. An der Stange 5 ist ein Dämpfungselement 30 angeordnet, das gleichzeitig als Führungshülse dient.
Die Figur 8 zeigt einen Schwingungserzeuger 31 für die Hin- und Herbewegung. Die Stange 5 ist im Bereich der Achse 3 als Zahnstange 32 ausgeführt. Die Zahnstange 32 greift in ein Zahnrad 33 ein, das auf der Achse 3 befestigt ist. Die Hin- und Herbewegung bzw. die Kippbewegung wird durch Endanschläge 34 und 34a begrenzt.
Bezugszeichenliste
1 Rohr
2 Drosselklappe
3 Achse
4 Exzenter
5 Stange
6 Lagerung
7 Dämpfungselement
8 Spule
9 Eisenkern
9a Eisenkern
10 Spule
11 Feder
12 Lagerung
13 Regler-Dämpfung
14 Regler-Schwingung
20 Piezobaustein
21 Piezobaustein
23 Spule
24 Spule
25 Magnet
26 Feder
27 Feder
28 Kipphebel
29 Endanschlag
30 Dämpfungselement (Führungshülse)
31 Schwingungserzeuger
32 Zahnstange
33 Zahnrad
34 Endanschlag
34a Endanschlag

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanischer Antrieb zum Steuern und Regeln einer als Durchflussmodulator fungierenden Drosselklappe (2) mit einer Achse (3) in einem Rohr (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Stange (5) an einem Ende in einem Schwingungserzeuger angeordnet ist und das andere Ende der Stange mit der Achse (3) der Drosselklappe (2) verbunden ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungserzeuger eine Spule (8) mit Eisenkern (9), der ein aktives Gegenlager zugeordnet ist, vorgesehen ist.
3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager als Feder (11) ausgebildet ist.
4. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager als Spule (16) mit Eisenkern (9a) ausgebildet ist.
5. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager als Magnet ausgebildet ist.
6. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungserzeuger ein Piezobaustein (20), dem ein aktives Gegenlager zugeordnet ist, vorgesehen ist.
7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenlager als Piezobaustein (21) ausgebildet ist.
8. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (5) eine Lagerung (6) aufweist und über einen Exzenter (4) mit der Achse (3) der Drosselklappe (2) verbunden ist.
9. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (5) über Zahnräder mit der Achse (8) der Drosselklappe (2) verbunden ist.
10. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (5) direkt mit der Achse (10) der Drosselklappe (2) verbunden ist.
11. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (5) über einen Kipphebel (28) mit der Achse (3) der Drosselklappe (2) verbunden ist.
12. Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kipphebel (28) mindestens einen Endanschlag (29) aufweist.
13. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stange ein Dämpfungselement (7) angeordnet ist.
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