WO2002023032A1

WO2002023032A1 - Zweistufiger elektromotorischer stellantrieb für ein ventil

Info

Publication number: WO2002023032A1
Application number: PCT/EP2001/010217
Authority: WO
Inventors: Bjoern Hagemann; Carsten Horn
Original assignee: Berger Lahr Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2002-03-21
Also published as: EP1320676A1; DE10044898A1

Abstract

Ein Abgasrückführventil (1) für Verbrennungsmotoren weist eine Betätigungsvorrichtung (7) mit einem durch einen Ventilschaft (8) gebildeten Stellorgan auf. Mit dem Stellorgan (8) ist ein elektromotorisch angetriebener Schraubantrieb (9) zum Positionieren des Stellorgans über einem langen Weg bei geringer Verstellkraft und ein mit dem Stellorgan verbundener, elektrischer Hubaktuator (10) mit kurzem Verstellweg und grosser Verstellkraft verbunden. Diese Aktuatoren (9, 10) können entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich des Arbeitsbedarfs dimensioniert werden. Je nach Kraftbedarf im Verlaufe des Ventil-Verstellweges kann für hohe Öffnungskräfte der Hubaktuator (10) mit grosser Verstellkraft und kleinem Weg und für eine exakte Verstell- und Positionierbewegung über einen langen Hubweg der Schraubantrieb (9) eingesetzt werden.

Description

ZWEISTUFIGER ELEKTROMOTORISCHER STELLANTRIEB FÜR EIN VENTIL

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventil mit einer Betätigungsvorrichtung zum Öffnen und Schließen, insbesondere Abgasrückführ- ventil für Verbrennungsmotoren, wobei die Betätigungsvorrichtung mit einem Stellorgan des Ventils verbunden ist. Abgasrückführventile für Verbrennungsmotoren werden zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen von Diesel- und Otto-Motoren eingesetzt. Mit Hilfe dieses Ventils werden der Verbrennungsluft Abgase beigemengt , so daß demVerbrennungsprozeß eine definierte Menge an Sauerstoff zugeführt wird. Zur Betätigung von Abgasrückführventilen werden meistens pyeu- matische Antriebe verwendet, die aber nur Auf/Zu-Positionen des Ventiles ermöglichen, daß heißt, daß keine Zwischenstellungen positioniert werden können.

Beim Betätigen des Ventiles kann zum Öffnen des Ventils aufgrund der Druckverhältnisse ein erheblich erhöhter Kraftbedarf auftreten. Ablagerungen, die zu einem Verkleben des Ventils mit dem Ventilsitz führen, erhöhen zusätzlich die Öffnungskraft. Dagegen sind die Verstellkräfte des geöffneten Ventils um etwa eine Zehnerpotenz geringer .

Wegen diesem unterschiedlichen Verstellkräftebedarf sind Betätigungsvorrichtungen mit Getriebe bekannt, die eine nichtlineare Untersetzung, also höhere Kräfte zum Öffnen des Ventiles realisieren. Dazu kennt man Nockenantriebe (US 4561408), Exzenterantriebe (US 4840350) , Kurvenscheibenantriebe (US 5937835), Kurbelstangenantriebe (US 6102016). Damit lassen sich zwar kurze Verstellzeiten realisieren, jedoch haben diese Anordnungen den Nachteil, daß sie keine Zugkräfte aufnehmen können und so die Nullposition nur aufwendig zu ermitteln ist oder mechanisch aufgrund der Anzahl an Lagerstellen aufwendig bauen.

Es sind auch bereits Betätigungsvorrichtungen mit linearem Getriebe bekannt (US 6089536) . Dieser muß für die maximale Verstellkraft über den gesamten Verstellweg dimensioniert sein, so daß dieses System bei gegebener Antriebskraft eine geringe Verstellgeschwindigkeit aufweis .

Aus der DE 1 98 311 40 A1 ist ein Abgasrückführventil bekannt, das mit einem Hubmagneten arbeitet. Ungünstig ist hierbei die Tatsache, daß die maximale Verstellkraft in dem Punkt gefordert wird, in dem der Hubmagnet die geringste Kraft entwickelt. Zudem weisen Hubmagnete bei Verstellwegen im Bereich mehrerer Millimeter den Nachteil eines sehr hohen Strombedarfs auf. Weiterhin ergeben sich Nachteile gegenüber Getriebeanordnungen beim Öffnen des Ventils, da der Hubmagnet in Folge der erheblichen Kraftaufnahme zu hohem Überschwingen neigt .

Die vorgenannten elektromotorisch betriebenen Betätigungsvorrichtungen lassen sich zwar in Zwischenstellungen positionieren und weisen gegenüber pneumatischen hinsichtlich der Positioniergenauigkeit und der Verfügbarkeit der Antriebsenergie Vorteile auf, die vorbeschriebenen Nachteile machen diese Betätigungsvor- richtungen jedoch noch verbesserungswürdig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil mit einer Betätigungsvorrichtung zu schaffen, die einerseits in der Lage ist, das Ventil schnell und auch bei einer hohen Gegenkraft zu betätigen und die außerdem einen vergleichsweise großen

Verstellweg mit hoher Positioniergenauigkeit aufweist . Außerdem soll der Energiebedarf der Betätigungsvorrichtung gering sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Betätigungs- Vorrichtung einen mit dem Stellorgan verbundenen, elektromotorisch angetriebenen Schraubantrieb zum Positionieren des Stellorgans über einen langen Weg bei geringer Verstellkraft und einen mit dem Stellorgan verbundenen Hubaktuator mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft aufweist. Die eingesetzten Aktuatoren können entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich des Arbeitsbedarfs dimensioniert werden, wodurch einerseits eine kompakte Bauform und andererseits eine geringe Stromaufnahme erreicht wird. Je nach Kraftbedarf im Verlaufe des Verstellweges kann der jeweils passende Aktuator aktiviert werden. Hohe Öffnungskräfte können von dem Hubaktuator mit großer Verstellkraft und kleinem Weg überwunden werden, während bei geöffneten Ventil der Schraubantrieb eine Verstell- und Positionierbewegung über einen langen Hubweg bei geringer Stellkraft und exakter Positionierbarkeit ermöglicht .

Eine Ausführungsform sieht vor, daß der Hubaktuator mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft durch einen elektrischen Hubmagneten oder einen Piezotranslator gebildet . Diese Hub- aktuatoren arbeiten mit sehr geringem Hub, der aber für den ersten Teil des Öffnungsweges , bei dem durch Verkleben des Ventiles und aufgrund der Gasdruckverhältnisse eine hohe Öffnungskraft erforderlich ist, zum "Loslösen" ausreicht. Es genügt dazu ein Hub von einem Bruchteil eines Millimeters, zum Beispiel 100 Mikrometer, um die bei geschlossenem Ventil einwirkenden Haltekräfte zu überwinden. Bei diesem geringen Hub können sehr hohe Verstellkräfte trotz kompakter Bauweise aufgebracht werden. Außerdem ist nur eine geringe Stromaufnahme des Aktuators vorhanden.

Zweckmäßigerweise ist als Antriebsmotor für den eine Spindel aufweisenden Schraubantrieb ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor vorgesehen. Es genügen hierbei Antriebs- otoren kleiner Baugröße, da diese nur entsprechend den vergleichsweise geringen, aufzubringenden Verstellkräften bei geöffnetem Ventil dimensioniert sein müssen. So lassen sich eine kompakte Bauform und hohe Dynamiken realisieren. Eine Ausführungsform sieht vor, daß das durch einen Ventilschaft gebildete Stellorgan stangenförmig ausgebildet ist und mit einem Rotor des elektromotorischen Antriebs sowie mit einer Spindel drehfest verbunden ist, daß der Stator des elektromotorischen Antriebs sowie der Stator des Hubaktuators miteinander verbunden sind und das die mit der Spindel kämmende Spindelmutter mit dem Kern des Hubaktuators verbunden ist.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß das Stellorgan stangenförmig mit einer Spindel ausgebildet ist, die mit einer mit einem Rotor des elektromotorischen Antriebs verbundenen Spindelmutter kämmt, daß die Spindelmutter mit dem Kern des Hubaktuators vorzugsweise drehentkoppelt verbunden ist und daß der Stator des Hubaktuators, der Stator des elektromotorischen Antriebs sowie eine Linearführung mit Verdrehsicherung für das stangenförmige Stellorgan miteinander verbunden sind.

Beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, daß sie kompakt aufgebaut sind und dadurch auch unter beengten Verhältnissen problemlos einsetzbar sind. Trotz des kompakten Aufbaus sind sowohl hohe Verstellkräfte als auch lange Verstellwege mit exakter Positionie- rung möglich.

Mit der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung ist auch eine Formatverstellung möglich, indem zur Realisierung hoher Kräfte über einen großen Verstellweg der Hubspindelaktuator zyklisch betätigt wird. Die Verstellung erfolgt dabei schrittweise. Beim Betätigen des Hubmagneten oder dergleichen Kurzhubaktuators erfolgt die Bewegung der Last und beim Zurücksetzen des Kurzhubaktuators wird die Spindel nachgestellt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Hubaktuator durch einen zweiten Schraubantrieb gebildet ist, der im Vergleich zu dem ersten Schraubantrieb zum Positionieren des Stellorgans über einen langen Weg bei geringer Verstellkraft, einen kurzen Verstellweg bei großer Verstellkraft aufweist und daß dazu die Gewindesteigung des zweiten Schraubantriebs insbesondere wesentlich kleiner ist als die des ersten Schraubantriebs . Bei dieser Aus führungs form können für die beiden Schraubantriebe rotatorische , insbesondere elektromotorische Antriebe eingesetzt werden. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß der durch den zweiten Schraubantrieb gebildete Hubaktuator einen Drehmagneten als

Antrieb aufweist .

Eine weitere Aus führungs form der erfindungsgemäßen Betätigungs Vorrichtung sieht vor , daß das durch einen Ventilschaft gebildete , stangenförmige Stellorgan in einer Linearführung mit Verdrehsicherung geführt und abschnittweise als Spindel ausgebildet ist , die mit einer mit einem Rotor des elektromotorischen Schraubantriebs verbundenen Spindelmutter kämmt , daß der vorzugsweise einen Drehmagneten aufweisende Hubaktuator ein mit seinem Rotor verbundenes Gewindestück mit einem Innengewinde geringer Steigung aufweist , welches mit einem Gegengewindestück mit Außengewinde kämmt , welches Gegengewindestück drehfest angeordnet ist und mit der Spindelmutter beziehungsweise dem damit verbundenen Rotor drehentkoppelt verbunden ist . Dieses Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Betätigungsvorrichtung mit zwei elektromotorischen Schraubantrieben .

Eine weitere , mögliche Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung sieht vor, daß das durch einen Ventilschaft gebildete , stangenförmige Stellorgan in einer Linearführung mit

Verdrehsicherung geführt und abschnit tweise als Spindel ausgebildet ist , die mit einer Spindelmutter kämmt , daß die Spindelmutter über eine Grenzkraftkupplung mit dem Rotor des elektromotorischen Schraubantriebs verbunden ist , der mit einem vorzugsweise rohrförmigen Innengewindeteil drehfest verbunden ist , welches mit der ein Außengewinde tragenden Spindelmutter kämmt und daß dieses Gewinde eine kleinere Steigung aufweist als das Gewinde zwischen der Spindel und der Spindelmutter . Diese Betätigungsvorrichtung mit zwei unterschiedlichen Antriebs- Übertragungswegen auf das Stellorgan erfordert nur einen einzigen motorischen Antrieb, wobei die Entkopplung der beiden Antriebszweige durch die Grenzkraftkupplung gegeben ist. Für eine geringe Verstellkraft ist der Schraubantrieb mit der größeren Gewindesteigung aktiviert und nach dem Auftreten einer höheren Last und Überschreiten einer durch die Grenzkraftkupplung vorgegebenen Grenz-Übertragungskraft wird der zweite Schraubantrieb mit der kleineren Gewindesteigung aktiviert.

Ebenfalls nur einen einzigen motorischen Antrieb erfordert gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine Betätigungsvorrichtung, bei der der Hubaktuator mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft durch ein Planetengetriebe gebildet ist. Dabei ist das vorzugsweise durch einen Ventilschaft gebildete, stangenförmige Stellorgan in einer Linearführung mit Verdrehsicherung geführt und abschnittweise als Spindel ausgebildet, die mit einer Spindelmutter kämmt, wobei die Spindel und die ' Spindelmutter den Schraubantrieb bildet und wobei das Planetengetriebe zwischen der Spindelmutter und dem Rotor dieses Schraubantriebs angeordnet ist. Wird der Rotor angetrieben, so wird diese Rotationsbewegung über das Planetengetriebe auf die Spindelmutter übertragen. Die Spindelmutter dreht sich dadurch entsprechend der Untersetzung mit geringer Drehzahl und bedarfsweise hohen Drehmoment. Nach einem bestimmten Drehwinkel wird das Planetengetriebe blockiert, so daß die durch das Planetengetriebe gebildete, mechanische Untersetzungsstufe außer Funktion ist. Die Spindelmutter ist dadurch direkt an die Drehzahl des Rotors angekoppelt und läuft dementsprechend mit höherer Drehzahl und geringem Kraftniveau.

Zweckmäßigerweise weist die den Schraubantrieb und den Hubaktuator aufweisende Betätigungsvorrichtung einen Sensor auf, der mit einer Meß- und Steuereinrichtung verbunden ist, die eine Umschaltlogik zum wahlweisen Ansteuern des Schraubantriebs oder des Hubaktuators in Abhängigkeit der erforderlichen Betätigungskraft aufweist. Insbesondere ist dabei dem elektromotorischen Antrieb für den Schraubantrieb eine Drehwinkel-Sensorik zugeordnet . Mit Hilfe der Drehwinkelsensorik kann der Nullpunkt während des Betriebs nachjustiert und so Toleranzen und Wärmedehnungen kompensiert werden. Außerdem kann die Meß- und Steuereinrichtung ein Blockieren des Spindelantriebs bei für diesen zu großen Verstellkräften erkennen und dann den Hubmagneten oder dergleichen Hubaktuator zum Öffnen des Ventils einsetzen.

Zweckmäßigerweise ist zur Rückstellung des Stellorgans in eine vorgebbare Lage, insbesondere in Schließlage des Ventils ein Rückstellelement, vorzugsweise eine Rückstellfeder vorgesehen. Diese Rückstellfeder sorgt bei Störungen für eine Rückstellung des Systems in eine Fail-Save-Stellung, im vorliegenden Fall insbesondere in die Schließstellung des Ventils. Bei Betätigung des Schraubantriebes in Öffnungsrichtung wird die Drehfeder gespannt, so daß sie bei Störungen das Stellorgan in Ausgangslage, also in Schließstellung zurückpositionieren kann.

Zusätzlicher Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig.1 eine Längsschnittdarstellung eines ersten Ausführungs- beispieles eines Abgasrückführventils mit einem

Hubmagnet als zweitem Hubaktuator,

Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Abgasrückführventils, Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispieles eines Abgasrückführventils mit einem Drehmagnet als zweitem Hubaktuator,

Fig. 4 eine Längsschnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispieles eines Abgasrückführventils mit einem einzigen Antrieb und

Fig. 5 eine Längsschnittdarstellung eines fünften Ausführungs- beispieles eines Abgasrückführventils, ebenfalls mit einem einzigen Antrieb.

Ein in den Figuren 1 bis 5 gezeigtes Abgasrückfuhrventil 1,1a bis 1d, dient bei einem Verbrennungsmotor zur Rückführung von Abgas vom Auspuffbereich zurück in den Ansaugbereich für das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Das Abgasrückfuhrventil 1, 1a bis 1d ist dazu an einem Gehäuse 2 mit einem Rückführkanal 3 angebaut, wobei die Durchströmrichtung der rückgeführten Verbrennungsgase durch die Pfeile PF1 gekennzeichnet ist. Der Rückführkanal 3 ist mit Hilfe eines in den Ausführungsbei- spielen als Kegelventil ausgebildeten Ventiles 4 verschließbar, wobei das Schließteil 5 im geschlossenen Zustand dicht an einem gehäuseseitigen Ventilsitz 6 anliegt.

Zum Öffnen und Schließen des Ventiles 4 ist eine Betätigungsvorrichtung 7 vorgesehen. Als Stellorgan und Verbindungselement zwischen dem Schließteil 5 des Ventiles und der Betätigungsvorrichtung 7 dient der stangenförmige Ventilschaft 8. Die Betätigungsvorrichtung 7 weist einen elektromotorisch angetrie- benen Schraubantrieb 9 sowie einen elektrischen Hubaktuator 10 auf. Der in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 u. 2 als Hubmagnet 11 ausgebildete Hubaktuator weist einen sehr kurzen Arbeitshub auf, kann dabei aber hohe Kräfte übertragen. Der Schraubantrieb, der im Ausführungsbeispiel als Spindelantrieb ausgebildet ist, dient zur Verstellung des Ventiles über einen größeren Weg und auch zur genauen Positionierung. Sowohl der Hubaktuator 10 als auch der Schraubantrieb 9 sind mit einer hier nicht dargestellten Meß- und Steuereinrichtung verbunden, über die die Stromzuführung und Steuerung erfolgt. Auch weist diese Meß- und Steuereinrichtung eine Umschaltlogik zum wahlweisen Ansteuern entweder des Schraubantriebs oder des Hubaktuators auf.

Der Schraubantrieb kann als bevorzugte Antriebsmotoren einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder einen Schrittmotor aufweisen. Der Rotor 12 des Schraubantrieb-Motors 13 ist gemäß Figur 1 drehfest mit dem auch die Rotorwelle bildeten Ventilschaft 8 verbunden. Um den Rotor 12 herum ist der Stator 14 des Motors 13 angeordnet. Am oberen Ende des Ventilschaftes 8 ist dieser mit einer Spindel 15 versehen, die mit einer Spindelmutter 16 kämmt. Wird der Motor 13 angesteuert, so daß sich sein Rotor 12 dreht, so bewegt sich die Spindel 15 innerhalb der Spindelmutter 16 in axialer Richtung, so daß je nach Drehrichtung das Ventil geschlossen oder geöffnet werden kann.

Der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 und 2 durch einen elektrischen Hubmagneten 11 gebildete Hubaktuator 10 weist einen Stator 17 und einen relativ dazu bewegbaren Anker oder Kern 18 auf. Der Stator 17 trägt eine Spule 19 und bildeten einen Elektromagneten, der bei Bestromung den Kern 18 anzieht.

Der Kern 18 ist in dem in Fig.1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Spindelmutter 16 verbunden, so daß bei einer Ansteuerung des Hubmagneten 11 dessen Hubbewegung über die Spindelmutter 16 und die Spindel 15 und damit auf den Ventilschaft 8 übertragen wird. Bei einer solchen Hubbewegung wird das Ventil 4 in Öffnungsrichtung gemäßt dem Pfeil PF2 bewegt.

Der mit der Spindelmutter 16 fest verbundene Kern 18 ist über eine die Arbeitshubbewegung zulassende Verdrehsicherung 20 mit dem Stator 17 des Hubmagneten 11 verbunden. Der Stator 17 und der Stator 14 des Schraubantriebes 9 bilden eine ortsfeste Einheit, die an ein Träger- und Gehäuseteil 21 der Betätigungsvorrichtung 7, die auch mit dem den Rückführkanal 3 aufweisenden Gehäuse 2 verbunden ist, angeschlossen ist. Durch die Kombination eines Schraubantriebes 9 mit einem Kurzhub- Aktuator 10 können große Verstellwege mit kleinem Kraftniveau (Schraubantrieb) und kleine Verstellwege mit großem Kraftniveau (Hubaktuator) einander überlagert werden. Beide Antriebe arbeiten gemeinsam auf den Ventilschaft 8. Je nach Kraftbedarf für eine Verstellung des Ventil-Schließteiles 5 kann der eine oder der andere Antrieb aktiviert werden. Der Hubaktuator 10 ist für eine sehr kleinen Hubbewegung ausgelegt, die beispielsweise im Zehntelmillimeterbereich liegen kann. Ein solcher kurzer Arbeitshub genügt aber um ein in Schließstellung durch Verbrennungsrückstände und dergleichen festsitzendes Schließteil 5 von seinem Ventilsitz 6 abzuheben. Sobald dies erfolgt ist, läßt sich das Ventil vergleichsweise leichtgängig positionieren, so daß dann auf den Schraubantrieb 9 umgeschaltet werden kann. Damit ist dann auch eine exakte Zwischenpositionie- rung des Schließteiles 5 und damit eine genaue Einstellung des Durchlaßquerschnittes möglich. Das Ventil kann somit nicht nur zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung sondern auch in jede Zwischenstellung exakt positioniert werden. Der für einen sehr kurzen Arbeitshub ausgelegte Hubaktuator 10 ermöglicht eine sehr kompakte Bauform und der Schraubantrieb 9 kann in gleicher Weise sehr kompakt ausgeführt sein, da dieser nur vergleichsweise geringe Verstellkräfte übertragen muß. Die Stromversorgung des elektromechanischen Hubmagneten 11 kann zumindest durch eine Kondensatorentladung unterstützt oder ausschließlich durch eine Kondensatorentladung gebildet sein. Da die Betätigung des Hubmagneten 11 nur jeweils über einen kurzen Zeitabschnitt erfolgt, genügt in den meisten Fällen die gespeicherte Kondensatorladung zur Betätigung. Entsprechend klein kann die Stromversorgungseinrichtung des Hubmagneten dimensioniert sein .

Insgesamt können die beiden etwa koaxial angeordneten, gemeinsam auf den Ventilschaft 8 arbeitenden Antriebe in einem kleinen Träger- und Gehäuseteil 21 untergebracht werden.

Als Antriebsmotor 13 für den Schraubantrieb 9 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 und 2 ein kollektorloser Gleichstrommotor vorgesehen, der mit einer Drehwinkel-Sensorik 22 ausgerüstet ist und eine exakte Positionierung ermöglicht. Für die Öffnungs- beziehungsweise Schließbewegung des Ventiles 4 führt der Rotor 12, 12a des Schraubantriebs-Motors 13 eine Drehbewegung über einige Umdrehungen in Abhängigkeit von der Ausbildung der Spindelübertragung aus. Für den Motor 13 kann ein in Großserie kostengünstig herstellbarer, sogenannter Dosenmotor mit Ringspulen eingesetzt werden. Motoren solcher Bauart werden auch für kleine Synchronmotoren oder für Schrittmotoren eingesetzt .

Auch der Schraubantriebs-Motor des in Fig.2 gezeigten Schraubantriebs ist mit einem solchen Motor ausgerüstet, wobei hier ein Rotor 12a in etwas abgewandelter Bauform eingesetzt wird.

Der mit dem drehbaren Ventilschaft 8 verbundene Rotor 12 (Fig.1) ist wegen der axialen Hubverstellung etwas länger als der Stator ausgebildet, um in jeder Positionsstellung eine Überdeckung von Stator und Rotor zu erreichen.

Zwischen dem Rotor 12 und dem in Rotationsrichtung feststehenden Kern 18 des Hubmagneten 11 ist eine Rückstellfeder 23 angeordnet, durch die der Rotor 12 bei nicht angesteuertem Motor 13 in Schließrichtung des Ventiles bis in Schließstellung verdreht wird. Ausgehend von der Schließstellung des Ventiles wird also diese, als Dreh-Rückstellfeder ausgebildete Feder 23 vorgespannt, so daß im^' Störungsfall die Feder-Speicherenergie zum Schließen des Ventiles zur Verfügung steht. Die Rückstellfeder 23 bildet somit eine Fail-Save-Feder . Das Abgasrückfuhrventil 1a gemäß Fig.2 ist prinzipiell gleich aufgebaut wie das Abgasrückfuhrventil 1 gemäß Fig.1 und weist demnach ebenfalls einen Schraubantrieb 9 und einen Kurz- Hubaktuator 10 in Form eines Hubmagneten 11 auf. Der Hauptunter- schied besteht darin, daß die mechanische Konstruktion gemäß Fig.2 so konzipiert ist, daß sich das Ventil 4 mit dem Schließteil 5 und dem Ventilschaft 8 bei einer Hubverstellung nicht mitdreht. Der Ventilschaft 8 ist bei dieser Ausführungsform axial in einer Verdrehsicherung 24, die beim Durchtritt des Ventilschaftes 8 durch eine Öffnung in dem Träger- und Gehäuseteil 21 angeordnet ist, geführt.

Der den Antriebsbereich durchsetzende Abschnitt des Ventilschaftes 8 ist als Spindel 15a ausgebildet und kämmt mit einer Spindelmutter 16a, die drehfest mit dem Rotor 12a des Schraubantriebs-Motors 13 verbunden ist .

Die Spindelmutter 16a stützt sich über ein Wälzlager 25 an dem Kern 18 des Hubmagneten 11 ab . Dadurch kann der Ventilschaft 8 bei Rotation der Spindelmutter 16a gemäß dem Doppelpeil Pf3 hin und her bewegt werden und bei Betätigung des Hubmagneten 11 wird die Hubbewegung des Kerns 18 über das Wälzlager 25 auf die Spindelmutter 16a übertragen, die ihrerseits diese Hubbewegung auf die Spindel 15a beziehungsweise den Ventilschaft 8 überträgt. In diesem Fall führt der Ventilschaft 8 und das damit verbundene Schließteil 5 eine Hubbewegung entsprechend dem Pfeil Pf2 in Öffnungsrichtung des Ventiles aus.

Es ist auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 eine überlagerte Kurzhubbewegung durch den Hubmagneten 11 und eine Positionierbewegung mit größerem Verstellweg durch den Schraubantrieb 9 gegeben. Bei der Ausführungsform nach Fig.2 ist die Fail-Save-Rückstell- feder 23 zwischen dem drehfesten Ventilschaft 8 beziehungsweise einem an dessen Spindelende befindlichen Abschlußteil 26 und der sich bei einer Hubverstellung durch den Schraubantrieb 9 drehenden Spindelmutter 16a angeordnet. Die Fig.3 und 4 zeigen Abgasrückführventile 1b, 1c, die Betätigungsvorrichtungen 7 mit zwei Schraubantrieben aufweisen. Der erste Schraubantrieb 9a beziehungsweise 9b ist zum Positionieren des Stellorgans 8 über einen langen Weg bei geringer Verstellkraft ausgelegt, während der zweite, den Hubaktuator 10 bildende Schraubantrieb 27 (Fig.3) beziehungsweise 28 (Fig.4) für einen kurzen Verstellweg bei großer Verstellkraft dimensioniert ist.Dies wird erreicht, indem die Gewindesteigung des zweiten Schraubantriebs 27 beziehungsweise 28 wesentlich kleiner ist als die des ersten Schraubantriebs 9a beziehungsweise 9b.

Fig.3 zeigt ein Abgasrückführ-Ventil 1b, bei dem die Betätigungsvorrichtung 7 zwei Schraubantriebe mit unterschiedlichen Gewindesteigungen aufweist. Der Ventilschaft 8 ist an seinem inneren Ende als Spindel 15b ausgebildet, die mit einer mit dem Rotor 12b des ersten Schraubantriebes 9a verbundenen Spindelmutter 16b kämmt .

Der zweite Schraubantrieb 27 weist als Antrieb einen Drehmagneten 29 auf, dessen Rotor 30 mit einem Gewindestück 31 verbunden ist, welches ein Innengewinde 32 geringer Steigung trägt. Das Gewindestück 31 kämmt mit seinem Innengewinde 32 mit einem Gegengewindestück 33 mit Außengewinde, daß drehfest und koaxial angeordnet ist . Das Gegengewindestück 33 ist mit der Spindelmutter 16b beziehungs- weise dem damit verbundenen Rotor 12b drehentkoppelt verbunden. Dazu ist ein Wälzlager 34 zwischen Rotor 12b und Gegengewindestück 33 angeordnet, über das eine Druckübertragung möglich ist. Zur drehfesten Lagerung des Gegengewindestückes 33 kann dieses mit einer radial nach innen vorstehenden Nase in eine Außenlängs- nut der Spindel 15b eingreifen.

Wird der Drehmagnet 29 betätigt, so erfolgt eine Verdrehung des mit dem Rotor 30 verbundenen Gewindestückes 31. Das drehfest, jedoch längs verschiebbare Gegengewindestück 33 wird dadurch zu dem Rotor 12b hin bewegt und verschiebt diesen über das Wälzlager 34. Diese Bewegung wird über die Spindelmutter 15b auf den Ventilschaft 8 übertragen, so daß eine Hubbewegung entsprechend dem Pfeil Pf2 erfolgt. Durch die geringe Steigung des Gewindes 32 zwischen dem Gewindestück 31 und dem Gegengewindestück 33 kann eine hohe Kraft in Richtung des Pfeiles Pf 2 aufgebracht werden, die für die erste Öffnungsbewegung bei geschlossenem Ventil vorgesehen ist.

Für die weitere Verstellbewegung des Ventils kann der erste Schraubantrieb 9a angesteuert werden, so daß der Rotor 12b die Spindelmutter 16b antreibt und dabei den Ventilschaft wahlweise in Öffnungsrichtung oder Schließrichtung bewegt. Wird der Drehmagnet 29 nicht angesteuert, so wird er durch eine Rückstellfeder 35 wieder in seine ursprüngliche Ausgangslage gebracht . Wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen ist auch hier eine Fail-Save-Rückstellfeder 23 vorgesehen, mittels der das Ventil bei Störungen in Schließstellung gebracht werden kann.

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform eines Abgasrückführ-Ventils 1c, bei dem die Betätigungsvorrichtung 7 ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 zwei Schraubantriebe mit Gewinden unterschiedlicher Steigung aufweist. Der durch eine Verdrehsicherung 24 längsgeführte Ventilschaft 8 weist auch hier einen Abschnitt mit einer Spindel 15c auf, die mit einer Spindelmutter 16c kämmt.

Die Spindelmutter 16c ist über eine Grenzkraftkupplung 36 mit dem Rotor 12c des elektromotorischen Schraubantriebs 9c verbunden. Bei einer Drehung des Rotors 12c wird somit die Spindelmutter 16c über die Grenzkraftkupplung 36 mitgenommen und dadurch der Ventilschaft 8 in Schließ- oder Öffnungsrichtung bewegt.

Die Spindelmutter 16c weist ein Außengewinde 37 auf, welches mit einem rohrförmigen Innengewindeteil 38 kämmt, daß drehfest mit dem Rotor 12c verbunden ist. Wird die Grenzkraft der zwischen Rotor 12c und Spindelmutter 16c angeordneten Grenzkraftkupplung 36 überschritten, so tritt eine Relativrotationsbewegung zwischen dem mit dem Rotor 12c verbundenen Innengewindeteil 38 und der Spindelmutter 16 c auf. Das dazwischen in Eingriff befindliche Gewinde 37 weist eine geringere Steigung auf, als das Gewinde zwischen der Spindel 15c und der Spindelmutter 16c, so daß in dieser Betriebssituation eine größere Antriebskraft bei kleinem Verstellweg auf den Ventilschaft 8 einwirkt.

Im Ausführungsbeispiel ist die Grenzkraftkupplung 36 durch eine rotatorisch vorgespannte Feder gebildet, die mit einem Ende an der Spindelmutter 16c und mit dem anderen Ende an dem Rotor 12c beziehungsweise dem damit verbundenen Innengewindeteil 38 angreift. Ein Anschlag 39 dient zur Begrenzung der durch die vorgespannte Feder erfolgenden Relativverdrehung zwischen Spindelmutter 16c und Rotor 12c. Wird die durch die vorgespannte Feder beim Anschlag 39 vorhandene Andruckkraft überwunden, so tritt eine Relativdrehbewegung zwischen dem Innengewindeteil 38 und der Spindelmutter 16c auf, so daß das dazwischen befindliche Gewinde 37 für eine Hubbewegung des Ventilschaftes 8 sorgt. Dieser Betriebsfall tritt dann ein, wenn eine bestimmte Überlast vorhanden ist, was insbesondere bei der ersten Öffnungsbewegung des Ventils auftreten kann. Ist diese Überlast überwunden, wird der Schraubantrieb 28 mit geringer Steigung durch die rotatorisch vorgespannte Feder 40 in ihre Ursprungslage bis an den Anschlag 39 zurückgeführt. Der besondere Vorteil der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung 7 liegt darin, daß für beide Schraubantrieb 27, 28 nur ein einziger Motor 13a erforderlich ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Drehwinkel-Sensorik 22 und eine Fail-Save-Rückstellfeder 23 vorgesehen.

Fig.5 zeigt ein Abgasrückführ-Ventil 1d mit einer Betätigungsvorrichtung 7 , die einen Schraubantrieb 9d und einen durch ein Planetengetriebe 41 gebildeten Hubaktuator 10 mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft aufweist. Der Ventilschaft 8 ist in einer Linearführung mit Verdrehsicherung 24 längsver- schieblich geführt und abschnittweise als Spindel 15d ausgebildet , die mit einer Spindelmutter 16d kämmt .

Der Motor 13b weist einen Rotor 12d auf, der mit einem bereichs- weise innenverzahntem Hohlrad 42 drehfest verbunden ist.

Das Plantengetriebe 41 ist zwischen dem Rotor 12d und der Spindelmutter 16d angeordnet. Dazu kämmt das Hohlrad 42 mit einem mit der Spindelmutter 16d verbundenen Planetenrad 43, welches mit einem koaxial zur Spindelmutter 16d angeordenten, fest- stehenden Sonnenrad 44 in Eingriff steht. Zwischen dem Rotor 12d und der Spindelmutter 16d ist eine begrenzte Verdrehung zulassender Drehanschlag 45 vorgesehen.

Wird der Rotor 12d angetrieben, so wird diese Rotationsbewegung über das Hohlrad 42 und das Planetenrad 43 auf die Spindelmutter 16d übertragen. Die Spindelmutter dreht sich dadurch entsprechend der Untersetzung mit geringer Drehzahl und bedarfsweise hohen Drehmoment. Dieser Betriebszustand dient für kleine Verstellwege mit hohem Kraftniveau. Nach einem bestimmten Drehwinkel, z.B. 40° blockiert der Drehanschlag 45 die Umlaufbewegung des Hohlrades 42, so daß die durch das Planetengetriebe 41 gebildete, mechanische Untersetzungsstufe außer Funktion ist. Die Spindelmutter ist dadurch direkt an die Drehzahl des Rotors 12d angekoppelt und läuft dementsprechend mit höherer Drehzahl als bei Zwischenschaltung des Planetengetriebes. Dadurch ergibt sich für den Ventilschaft 8 eine erhöhte Verstellgeschwindigkeit bei geringem Kraftniveau. Aufgrund der Reibungsverhältnisse wird bei einer Drehrichtungs- umkehr zunächst die Plantenstufe aktiviert, so daß zum Öffnen des Ventils 4 ein hohes Kraftniveau zur Verfügung steht. Die Spindelmutter 16d kann über eine durch eine Drehfeder gebildete Grenzkraftkupplung mit dem Rotor 12d verbunden sein. Durch diese Drehfeder ergibt sich eine mechanische Vorspannung, durch die die Planetenstufe nur in einer Drehrichtung ab einem bestimmten Kraftniveau zum Einsatz kommt. Ohne eine solche Federvorspannung kann die Kombination von Planetengetriebe und Spindelantrieb auch zur Erhöhung von Auflösung und Dynamik eingesetzt werden. In diesem Fall kann die Zielposition mit grober Auflösung schnell vorpositioniert werden und durch Drehrichtungsumkehr mit Hilfe der Planetengetriebestufe fein positioniert werden.

Claims

A n s p r ü c h e

1. Ventil mit einer Betätigungsvorrichtung (7) zum Öffnen und Schließen des Ventils, insbesondere Abgasrückfuhrventil für Verbrennungsmotoren, wobei die Betätigungsvorrichtung (7) mit einem Stellorgan (8) des Ventils verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung (7) einen mit dem Stellorgan (8) verbundenen, elektromotorisch angetriebenen Schraubantrieb (9, 9a bis 9d) zum Positionieren des Stellorgans (8) über einen langem Weg bei geringer Verstellkraft und einen mit dem Stellorgan verbundenen Hubaktuator (10) mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor (13) für den eine Spindel aufweisenden Schraubantrieb (10) ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor vorgesehen ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubaktuator (10) mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft durch einen elektrischen Hubmagneten (11) oder einen Piezotranslator gebildet ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubaktuator (10) durch einen zweiten Schraubantrieb (27,28) gebildet ist, der im Vergleich zu dem ersten Schraubantrieb (9) zum Positionieren des Stellorgans (8) über einen langem Weg bei geringer Verstellkraft, einen kurzem Verstellweg bei großer Verstellkraft aufweist und daß dazu die Gewindesteigung des zweiten Schraubantriebs (27,28) insbesondere wesentlich kleiner ist als die des ersten Schraubantriebs.

5. Ventil nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , daß der durch den zweiten Schraubantrieb (27) gebildete Hubaktuator (10) einen Drehmagneten (29) als Antrieb aufweist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise durch einen Ventilschaft (8) gebildete Stellorgan stangenförmig ausgebildet ist und mit einem Rotor (12) des elektromotorischen Antriebs sowie mit einer Spindel (15) drehfest verbunden ist, daß der Stator (14) des elektromotorischen Antriebs (9) sowie der Stator

(17) des Hubaktuators (10) miteinander verbunden sind und daß die mit der Spindel (15) kämmende Spindelmutter (16) mit dem Kern (18) des Hubaktuators (10) verbunden ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise durch einen Ventilschaft (8) gebildete Stellorgan stangenförmig mit einer Spindel (15a) ausgebildet ist, die mit einer mit einem Rotor (12a) des elektromotorischen Schraubantriebs (9) verbundenen Spindel- mutter (16a) kämmt, daß die Spindelmutter (16a) mit dem Kern

(18) des Hubaktuators (10) vorzugsweise drehentkoppelt verbunden ist und daß der Stator (17) des Hubaktuators (10), der Stator (14) des elektromotorischen Schraubantriebs (9) sowie eine Linearführung mit Verdrehsicherung (24) für das stangenförmige Stellorgan (8) miteinander verbunden sind.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubantrieb (9) zum Positionieren des Stellorgans (8) über einen langem Weg bei geringer Verstell- kraft und der Hubaktuator (10) mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft koaxial in einem Träger-und Gehäuseteil (21) angeordnet sind.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß das vorzugsweise durch einen Ventilschaft (8) gebildete, stangenförmige Stellorgan in einer Linearführung mit Verdrehsicherung (24) geführt und abschnittweise als Spindel (15b) ausgebildet ist, die mit einer mit einem Rotor 5 (12b) des elektromotorischen Schraubantriebs (9a) verbundenen Spindelmutter (16b) kämmt, daß der vorzugsweise einen Drehmagneten (29) aufweisende Hubaktuator (10) ein mit seinem Rotor (12b) verbundenes Gewindestück (31) mit einem Innengewinde (32) geringer Steigung aufweist, welches mit ,10 einem Gegengewindestück (33) mit Außengewinde kämmt , welches

Gegengewindestück drehfest angeordnet ist und mit der Spindelmutter (16b) beziehungsweise dem damit verbundenen Rotor (12b) drehentkoppelt verbunden ist.

15 10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewindestück (33) des Hubaktuators (10) in einem im koaxial angeordneten Rotor (12b) des elektromotorischen Schraubantriebs (9) gelagerten Wälzlager (34) abgestützt ist .

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11. Ventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (30) des Drehmagneten (29) durch eine Rückstellfeder (35) entgegen der Antriebsrichtung rückstellkraftbeauf- schlagt ist.

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12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise durch einen Ventilschaft (8) gebildete, stangenförmige Stellorgan in einer Linearführung mit Verdrehsicherung (24) geführt und abschnittweise als 30 Spindel (15c) ausgebildet ist, die mit einer Spindelmutter

(16c) kämmt, daß die Spindelmutter (16c) über eine Grenzkraftkupplung (36) mit dem Rotor (12c) des elektromotorischen Schraubantriebs (9c) verbunden ist, der mit einem vorzugsweise rohrförmigen Innengewindeteil (38) drehfest verbunden ist, welches mit der ein Außengewinde (37) tragenden Spindelmutter (16c) kämmt und daß dieses Gewinde (37) eine kleinere Steigung aufweist als das Gewinde zwischen der Spindel (15c) und der Spindelmutter (16c).

13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzkraftkupplung (36) zwischen dem Schraubantrieb (9c) zum Positionieren über einen langem Weg bei geringer Verstellkraft und dem Hubaktuator (10) mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft durch eine rotatorisch vorgespannte Feder (40) gebildet ist, die einerseits an der Spindelmutter (16c) und andererseits an dem mit dem Rotor (12c) verbundenen Innengewindeteil (38) angreift.

14. Ventil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spindelmutter (16c) und dem mit dem Rotor (12c) des elektromotorischen Schraubantriebs (9c) beziehungsweise dem damit verbundenen Innengewindeteil (38) ein Anschlag (39) vorgesehen ist zur Begrenzung der rotatorischen Vorspannung .

15. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubaktuator (10) mit kurzem Verstellweg und großer Verstellkraft durch ein Planeten- getriebe (41) gebildet ist.

16. Ventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise durch einen Ventilschaft (8) gebildete, stangenförmige Stellorgan in einer Linearführung mit Verdreh- Sicherung (24) geführt und abschnittweise als Spindel (15d) ausgebildet ist, die mit einer Spindelmutter (16d) kämmt, daß die Spindel (15d) und die Spindelmutter (16d) den Schraubantrieb (9d) bildet und daß das Planetengetriebe (41 ) zwischen der Spindelmutter (16d) und dem Rotor (12d) dieses Schraubantriebs (9d) angeordnet ist.

17. Ventil nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12d) des Schraubantriebs (9d) bereichsweise als Hohlrad ausgebildet ist, welches mit wenigstens einem, mit der Spindelmutter (16d) verbundenen Planetenrad (43) kämmt, daß koaxial zur Spindelmutter ein feststehendes Sonnenrad (44) angeordnet ist, das mit dem oder den Planetenrädern (43) in Eingriff steht und daß zwischen der Spindelmutter (16d) und dem Rotor (12d) ein eine begrenzte

Verdrehung zulassender Drehanschlag (45) vorgesehen ist.

18. Ventil nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (16d) über eine Grenzkraftkupplung mit dem Rotor des elektromotorischen

Schraubantriebs (9d) verbunden ist, und daß die Grenz- kraftkupplung vorzugsweise eine Drehfeder aufweist.

19. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stator (17) und dem Kern

(18) des durch einen Hubmagneten (11) gebildeten Hubaktuators (10) eine Verdrehsicherung (20) angeordnet ist.

20. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stator (17) und dem Kern

(18) des durch einen Hubmagneten (11) gebildeten Hubaktuators (10) eine Rückstellfeder angeordnet ist.

21. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekenn- zeichnet, daß die den Schraubantrieb (9, 9a, 9b) und den

Hubaktuator (10) aufweisende Betätigungsvorrichtung (7) einen Sensor (22) aufweist, der mit einer Meß- und Steuereinrichtung verbunden ist, die eine Umschaltlogik zum wahlweisen Ansteuern des Schraubantriebs (9, 9a, 9b) oder des Hubaktuators (10) in Abhängigkeit der erforderlichen Betätigungskraft aufweist .

22. Ventil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schraubantriebs-Elektromotor (13, 13a, 13b) eine

Drehwinkel-Sensorik (22) angeordnet ist.

23. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung des Stellorgans (8) in eine vorgebbare Lage, insbesondere in Schließlage des Ventils (4) ein Rückstellelement , vorzugsweise eine Rückstellfeder (23) vorgesehen ist.

24. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung des vorzugsweise durch einen elektromechanischen Hubmagneten (11) oder einen Drehmagneten (29) gebildeten Hubaktuators (10) zumindest durch eine Kondensatorentladung unterstützt ist oder ausschließlich durch eine Kondensatorentladung vorgesehen ist.