EP2268907A1 - Elektrisches verbrennungsmotor-stellorgan - Google Patents

Elektrisches verbrennungsmotor-stellorgan

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EP2268907A1
EP2268907A1 EP09729790A EP09729790A EP2268907A1 EP 2268907 A1 EP2268907 A1 EP 2268907A1 EP 09729790 A EP09729790 A EP 09729790A EP 09729790 A EP09729790 A EP 09729790A EP 2268907 A1 EP2268907 A1 EP 2268907A1
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EP
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valve
driver
electric
engine actuator
actuator
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EP09729790A
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Martin Nowak
Karsten Grimm
Heinrich Dismon
Andreas Köster
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F02M26/48—EGR valve position sensors

Definitions

  • the invention relates to an electric combustion engine actuator with a Stell Clean and a Stellmimik for actuating the object StellThates, and in particular relates to gas-conducting actuators, and in this case in particular exhaust gas leading actuators.
  • Exhaust gas engine governors are actuators that are fed with exhaust gases from the internal combustion engine. Such actuators are, for example, driven by an electric drive exhaust gas recirculation valves or so-called wastegate valves of turbochargers. Also, an actuator for adjusting the turbine geometry on the exhaust side of a turbocharger is an actuator in this sense.
  • the object of the invention is in contrast, to create a powerful electric actuator for a gas-efficient electric actuator.
  • the actuating mimic of the internal combustion engine actuator according to the invention has to actuate the object Stell réellees a planetary gear, one planetary gear an eccentrically arranged driver, which actuates the object Stell réelle.
  • the planetary gear further comprises a fixed internally toothed ring gear, a coaxial to the ring gear rotatable rotor disc which is driven by an electric rotary drive, and an externally toothed planet gear, which is mounted eccentrically and rotatably on the rotor disc.
  • the epicyclic gear From the rotational movement of the rotary drive, which is passed to the rotor disc, the epicyclic gear produces a slightly arcuate or linear movement of the driver. Due to the linear or quasi-linear movement of the driver and the parts driven therewith, the wear of the driver is significantly reduced by the elimination of transverse forces, especially in regular fast adjusting movements.
  • epicyclic gear can be configured so that in the positions where high position object holding forces can occur, a high force at low speed is generated. Due to the high reduction ratio in the two end positions, the regulation of the degree of opening can also be carried out very precisely in the region in this position, for example with a low valve opening degree.
  • the two end positions of the valve body or the valve disk are those in which high holding forces can occur.
  • a very high actuating force is generated by the planetary gear, which is always sufficiently large to break up encrustations even with large valve plates.
  • the force is reduced considerably and the speed is increased accordingly.
  • the epicyclic can be realized by the epicyclic a high valve stroke, which in turn allows high flow rates. Only these circumstances allow it, an electric one Internal combustion engine actuator for controlling a gas flow containing exhaust gases to use.
  • the Planetenrad- outer diameter corresponds to 0.5 times the ring gear inner diameter and corresponds to the eccentricity of the driver, which drives the valve stem, the radius of the planet gear.
  • a planetary gear is realized, which provides a linear movement of the driver in a diameter of the ring gear available, which has a high actuating force and a total of a large stroke at the end positions.
  • a linear position sensor is provided which detects the linear position of the driver or the object Stellêtes.
  • a linear sensor can be used to determine the position of the position object, which directly indicates the linear position of the position object. A computational linearization of the linear sensor signal is no longer required.
  • Figure 1 an electric engine actuator, which is designed as an exhaust gas recirculation valve, in longitudinal section in
  • FIG. 2 shows the electric combustion engine actuator in FIG. 1 in a middle opening position
  • Figure 3 three components of the epicyclic gear of the internal combustion engine actuator
  • Figure 4 a diagram of the driver force on the driver path.
  • actuator 10 designed as an exhaust gas recirculation valve 10 engine actuator 10 is shown in longitudinal section, as it may be arranged in the course of an exhaust gas recirculation line.
  • the actuator 10 has an actuating mechanism 14 for actuating a position object 12, which in the present case is a gas valve 12 with a linearly guided valve stem 26 and a valve disk 28.
  • the gas valve 12 may for example also be a wastegate valve of a turbocharger, which is designed in the form of a rotary valve or the like.
  • the control mimic 14 has a fixed internally toothed ring gear 16, a to the ring gear 16 coaxial rotatable carrier 18, which is driven by an electric rotary drive 20, an externally toothed planet gear 22 which is eccentrically and rotatably mounted on the rotor disc 18, and a planetary gear 22nd eccentric and fixed associated driver 24, which actuates the object 12 Stell réelle.
  • the control mimic 14 is therefore an epicyclic gearbox whose one planet gear 22 has a lever arm 23 with a driver 24.
  • the outer diameter of the planet gear 22 is exactly 0.5 times the inner diameter of the ring gear 16. Further corresponds to the eccentricity of the driver 24, so the lever arm length of the lever arm 23 exactly the radius of the planetary gear 22. In this geometric constellation leads the driver 24 exactly a linear movement. The valve rod 26 can therefore be driven directly by the driver 24. There are no transverse forces generated on the valve rod 26, so that the storage of the valve rod 26 wears less.
  • the actuator 10 has a fixed linear position sensor 30, which determines the exact linear position of the valve stem 26. In order to determine the linear position of the valve stem 26, no further conversion is required.
  • a position sensor is an optical, magnetic, capacitive or another sensor in question.
  • the driving force is shown on the driver path.
  • the force or entrainment force in the region of the two end positions is a multiple of the force in the largest part between the

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) mit einem Stellobjekt (12) und einer Stellmimik (14) zur Betätigung des Stellobjektes (12), wobei die Stellmimik (14) aufweist: ein feststehendes innenverzahnten Hohlrad (16), eine zu dem Hohlrad (16) koaxial drehbare Läuferscheibe (18), die durch einen elektrischen Drehantrieb (20) angetrieben wird, einem außenverzahnten Planetenrad (22), das exzentrisch und drehbar an der Läuferscheibe (18) gelagert ist, und einem dem Planetenrad (22) exzentrisch und fest zugeordneten Mitnehmer (24), der das Stellobjekt (12) betätigt.

Description

B E S C H R E I B U N G
Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan mit einem Stellobjekt und einer Stellmimik zur Betätigung des Stellobjektes, und bezieht sich insbesondere auf Gas führende Stellorgane, und hierbei insbesondere auf Abgas führende Stellorgane.
Abgas führende Verbrennungsmotor-Stellorgane sind Stellorgane, die mit Abgasen aus dem Verbrennungsmotor gespeist werden. Derartige Stellorgane sind beispielsweise mit einem elektrischen Antrieb angetriebene Abgasrückführungs-Ventile oder so genannte Wastegate- Ventile von Turboladern. Auch ein Stellorgan zum Verstellen der Turbinengeometrie auf der Abgasseite eines Turboladers ist ein Stellorgan in diesem Sinne.
Allen Abgas führenden Stellorganen gemeinsam ist das Problem, dass an dem Stellobjekt anhaftende Abgas-Rückstände seine Betätigung durch die Stellmimik erheblich erschweren oder blockieren können. Zum Öffnen eines oben genannten Ventils beziehungsweise zum Verstellen der Turbinengeometrie aus ihrer Ruhelage müssen hohe Kräfte beziehungsweise Drehmomente aufgebracht werden, um eine durch Abgas-Rückstände verursachte Blockade aufbrechen zu können. Hohe Drehmomente werden durch eine hohe Getriebeuntersetzung erreicht, womit wiederum eine relativ langsame Verstellung beziehungsweise kleine Gesamt- Verstellwege erkauft werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, für ein Gas führendes elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan eine leistungsfähige Stellmimik zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Stellmimik des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor-Stellorgans weist zur Betätigung des Stellobjektes ein Umlaufgetriebe auf, dessen eines Planetenrad einen exzentrisch angeordneten Mitnehmer aufweist, der das Stellobjekt betätigt. Das Umlaufgetriebe weist ferner ein feststehendes innenverzahntes Hohlrad, eine zu dem Hohlrad koaxial drehbare Läuferscheibe, die durch einen elektrischen Drehantrieb angetrieben wird, und ein außenverzahntes Planetenrad auf, das exzentrisch und drehbar an der Läuferscheibe gelagert ist.
Aus der Drehbewegung des Drehantriebes, die auf die Läuferscheibe geleitet wird, stellt das Umlaufgetriebe eine leicht bogenförmige oder lineare Bewegung des Mitnehmers her. Durch die lineare oder quasi-lineare Bewegung des Mitnehmers und der damit angetriebenen Teile wird insbesondere bei regelmäßigen schnellen Stell-Bewegungen der Verschleiß des Mitnehmers durch die wegfallenden Querkräfte erheblich vermindert.
Durch den Verzicht auf Kulissen und ähnlichem werden die Reibungsverluste insbesondere unter Last gering gehalten.
In den Positionen, in denen der Radius des Mitnehmers annähernd parallel zur Bewegungsachse des Mitnehmers steht, wird bei relativ geringer Geschwindigkeit des Mitnehmers ein hohes Drehmoment aufgebracht (siehe z. B. Figur 1). Das
Umlaufgetriebe kann daher derart konfiguriert werden, dass in den Positionen, in denen hohe Stellobjekt-Haltekräfte auftreten können, eine hohe Stellkraft bei geringer Geschwindigkeit generiert wird. Durch die hohe Untersetzung in den beiden Endpositionen kann im Bereich in dieser Position, beispielsweise bei geringem Ventil-Öffnungsgrad, ferner die Regelung des Öffnungsgrades sehr genau erfolgen.
Im Falle der Ausbildung des Stellorgans als als Tellerventil ausgebildetes Gasventil sind insbesondere die beiden Endlagen des Ventilkörpers beziehungsweise des Ventiltellers diejenigen, in denen hohe Haltekräfte auftreten können. Gerade in diesen Endlagen wird durch das Umlaufgetriebe eine sehr hohe Stellkraft generiert, die stets ausreichend groß ist, um Verkrustungen auch bei großen Ventiltellern aufzubrechen. Um die Mittellage herum ist die Stellkraft erheblich verringert und die Geschwindigkeit entsprechend erhöht. Ferner läßt sich durch das Umlaufgetriebe ein hoher Ventil-Hub realisieren, der wiederum hohe Flussmengen erlaubt. Erst diese Umstände erlauben es, ein elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan zur Steuerung eines Abgase enthaltenden Gasflusses einzusetzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht der Planetenrad- Außendurchmesser dem 0,5-fachen des Hohlrad-Innendurchmessers und entspricht die Exzentrizität des Mitnehmers, der den Ventilschaft antreibt, dem Radius des Planetenrades. Mit dieser Konstellation wird ein Umlaufgetriebe realisiert, das in einem Durchmesser des Hohlrades eine lineare Bewegung des Mitnehmers zur Verfügung stellt, die an den Endpositionen eine hohe Stellkraft und insgesamt einen großen Hub aufweist.
Vorzugsweise ist ein linearer Positionssensor vorgesehen, der die lineare Position des Mitnehmers beziehungsweise des Stellobjektes erfasst. Durch die Linearisierung der Stellbewegung kann zur Positionsbestimmung des Stellobjektes ein Linearsensor eingesetzt werden, der die lineare Position des Stellobjektes unmittelbar angibt. Eine rechnerische Linearisierung des Linearsensor-Signales ist nicht mehr erforderlich.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen :
Figur 1 : ein elektrisches Verbrennungsmotor- Stellorgan, das als Abgasrückführungs-Ventil ausgebildet ist, im Längsschnitt in
Schließstellung;
Figur 2 : das elektrische Verbrennungsmotor-Stellorgan in der Figur 1 in einer mittleren Öffnungsposition;
Figur 3 : drei Bauteile des Umlaufgetriebes des Verbrennungsmotor- Stellorgans, und
Figur 4: ein Diagramm der Mitnehmer-Kraft über den Mitnehmer-Weg. In den Figuren 1 und 2 ist ein als Abgasrückführungs-Ventil 10 ausgebildetes Verbrennungsmotor-Stellorgan 10 im Längsschnitt dargestellt, wie es im Verlauf einer Abgasrückführungs-Leitung angeordnet sein kann. Das Stellorgan 10 weist eine Stellmimik 14 zur Betätigung eines Stellobjektes 12 auf, das vorliegend ein Gasventil 12 mit einem linear geführten Ventilschaft 26 und einem Ventilteller 28 ist. Das Gasventil 12 kann beispielsweise auch ein Wastegate-Ventil eines Turboladers sein, das in Form einer Drehklappe o.a. ausgebildet ist.
Die Stellmimik 14 weist ein feststehendes innenverzahntes Hohlrad 16, eine zu dem Hohlrad 16 koaxial drehbare Läuferscheibe 18, die durch einen elektrischen Drehantrieb 20 angetrieben wird, ein außenverzahntes Planetenrad 22, das exzentrisch und drehbar an der Läuferscheibe 18 gelagert ist, und einen dem Planetenrad 22 exzentrisch und fest zugeordneten Mitnehmer 24 auf, der das Stellobjekt 12 betätigt. Bei der Stellmimik 14 handelt es sich also um ein Umlaufgetriebe, dessen eines Planetenrad 22 einen Hebelarm 23 mit einem Mitnehmer 24 aufweist.
Im vorliegenden Fall beträgt der Außendurchmesser des Planetenrades 22 exakt dem 0,5-fachen des Innendurchmessers des Hohlrades 16. Ferner entspricht die Exzentrizität des Mitnehmers 24, also die Hebelarm-Länge des Hebelarms 23 exakt dem Radius des Planetenrades 22. Bei dieser geometrischen Konstellation führt der Mitnehmer 24 exakt eine Linearbewegung aus. Die Ventilstange 26 kann daher direkt durch den Mitnehmer 24 angetrieben werden. Es werden an der Ventilstange 26 keine Querkräfte erzeugt, so dass auch die Lagerung der Ventilstange 26 weniger verschleißt.
Das Stellorgan 10 weist einem feststehenden linearen Positionssensor 30 auf, der die exakte Linearposition des Ventilschaftes 26 ermittelt. Um die Linearposition des Ventilschaftes 26 zu bestimmen, ist keine weitere Umrechnung erforderlich. Als Positions-Sensor kommt ein optischer, magnetischer, kapazitiver oder ein anderer Sensor in Frage.
In der Figur 4 ist die Mitnehmer-Kraft über den Mitnehmer-Weg dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, beträgt die Stellkraft bzw. Mitnehmer-Kraft im Bereich der beiden Endpositionen ein Vielfaches der Kraft im größten Teil zwischen den
Endpositionen. Zum Öffnen des Ventils 12 steht also stets sehr viel Kraft zur Verfügung, um gegebenenfalls vorhandene Verkrustungen, die sich durch eingebrannte Partikel aus dem Abgas gebildet haben können, aufzusprengen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) mit einem Stellobjekt (12) und einer Stellmimik (14) zur Betätigung des Stellobjektes (12), wobei die Stellmimik (14) aufweist:
ein feststehendes innenverzahnten Hohlrad (16),
eine zu dem Hohlrad (16) koaxial drehbare Läuferscheibe (18), die durch einen elektrischen Drehantrieb (20) angetrieben wird,
einem außenverzahnten Planetenrad (22), das exzentrisch und drehbar an der Läuferscheibe (18) gelagert ist, und
einem dem Planetenrad (22) exzentrisch und fest zugeordneten Mitnehmer (24), der das Stellobjekt (12) betätigt.
2. Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) nach Anspruch 1, wobei das Stellobjekt (12) ein Gasventil (12) mit einem linear geführten Ventilschaft (26) und einem Ventilteller (28) ist.
3. Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mitnehmer (24) eine annähernd lineare Bewegung ausführt.
4. Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Planetenrad-Außendurchmesser dem 0,5- fachen des Hohlrad-Innendurchmessers und die Exzentrizität des
Mitnehmers (24) dem Radius des Planetenrades (22) entspricht, der den Ventilschaft (26) antreibt.
5. Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein linearer Positionssensor (30) vorgesehen ist, der die Ventilschaft-Position ermittelt.
6. Elektrisches Verbrennungsmotor-Stellorgan (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Stellorgan (10) ein Abgas führendes Ventil (10) ist.
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