DE10112033A1 - Integrierte Motor- und Steuerungseinheit für Turbolader, Abgasrückführungsventile und Ähnliches - Google Patents

Abstract

Ein integrierter elektrischer Motor mit Steuerungseinheit vermindert das Gewicht und liefert eine verbesserte Ausführung von Vorrichtungen, die mit internen Verbrennungsmaschinen wie Abgasrückführungsventilen oder Abgasturboladern und Ähnlichem verbunden sind. Der integrierte Motor mit Steuerung beinhaltet einen elektrischen Motor mit einer Abtriebswelle, die ein erstes Segmentrad antreibt mit benachbart angeordnetem Sensor, der Signale in Bezug auf die Rotation und die Richtung der Rotation des Motorabtriebes liefert. Der Motor treibt ebenfalls ein Getriebe mit einem Ausgangsglied an, welches bidirektional entweder rotiert oder lineare Bewegungen vollführt. Ein Positionskodierungsmerkmal ist angeordnet auf dem Ausgangsglied und nächstliegende Sensoren liefern Signale in Bezug auf die Position des Ausgangsgliedes. Die Sensoren treiben einen Mikroprozessor, der in Folge den elektrischen Motor treibt. Die Sensoren, der elektrische Motor, das Getriebe und der Mikrocontroller sind alle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zur Steuerung von Abgasrückführungsventilen und Turboladern, und insbeson­ dere eine integrierte Einheit mit einem elektrischen Motor und elektronischer Steuerung, angeordnet in einem Gehäuse und mit einem bewegbaren Ausgabeglied, das es ermöglicht, eine Steuerungsvorrichtung zu positionieren in einem Abgasrückfüh­ rungsventil (EGR), einem Turbolader oder einem ähnlichen Bau­ teil.

Die Positionierung von Steuervorrichtungen in Zusatzbauteilen an (intern) Verbrennungsmaschinen, wie beispielsweise Abgas­ rückführungsventile und Abgasturbolader, kann erreicht werden durch viele Klassen und Typen von Aktuatoren. Ein häufig be­ nutzter Aktuator für Abgasrückführungsventile in Personenwa­ gen ist ein Vakuumaktuator, der durch unterschiedliches Vaku­ um angetrieben wird. Während der Betrag des unterschiedlichen Vakuums ein angemessen genaues Treibersignal an dem Abgas­ rückführungsventil bereitstellt, welches im Verhältnis dazu öffnet oder schließt, kann dieses System heutzutage als rela­ tiv einfach eingestuft werden. Wenn die Betriebsparameter wie beispielsweise die Endpunkte und die Verstärkung ermittelt sind, liegen die Funktionscharakteristika des Abgasrückfüh­ rungsventiles im Wesentlichen fest. Somit können beispiels­ weise nicht andere, selten vorkommende, Funktionsbedingungen aufgenommen werden, die unter Umständen eine eindeutige Reak­ tion erfordern.

Eine zweite Betrachtungsweise hinsichtlich der Vereinfachung der Bedienungskonstruktion betrifft die betriebliche Umge­ bung. Solche Aktuatoren sind nicht nur untergebracht in Reak­ tionsräumen von Maschinen und hohen Betriebstemperaturen aus­ gesetzt, sondern sie sind auch auf oder in der Nähe von Ab­ gaskrümmern befestigt, wodurch zusätzlich die Betriebstempe­ raturen steigen.

Darüber hinaus ist der Vakuumaktuator derart dimensioniert, dass eine angemessene Betriebskraft bereitgestellt werden kann. Durch die betriebliche Umgebung von Abgasrückführungs­ ventilen sind diese allerdings beeinflussbar durch Anhäufun­ gen von Kohlenstoffablagerungen, die zu einer wesentlichen Steigerung der Betriebskraft führen können. Große Ablagerun­ gen führen allgemein zu deren Ausfall. Bei derartig einfachen mechanischen Funktionsteilen gibt es typischerweise keine Möglichkeit, das Ventil frei zu bekommen und es existiert keine Rückmeldung oder ein Signal an irgendeine damit verbun­ dene Vorrichtung, womit der funktionslose Zustand angezeigt wird.

Eine ähnliche Situation besteht hinsichtlich der Steuervor­ richtungen, die mit Turboladern verbunden sind. Die betrieb­ liche Umgebung von Turboladern, so wie sie in Zusammenhang mit den Abgasen von Maschinen eingesetzt werden, ist rau. Entsprechend dazu sind die Steuerungen für derartige Vorrich­ tungen häufig vereinfacht, um die Zuverlässigkeit zu verbes­ sern. Eine derartige Vereinfachung stellt jedoch eine beson­ dere Leistung dar.

Ein anderes Problem, welches sich ebenso auf die betriebliche Umgebung bezieht, betrifft die Verbindungen zwischen Senso­ ren, einer Steuerung und dem Aktuator. Der elektrische An­ triebsmotor für den Aktuator kann nächstliegend montiert sein, beispielsweise ein Drosselkörper für eine Brennstoff­ einspritzvorrichtung und über eine Verbindung gekoppelt sein mit dem Steuerglied. Sensoren liefern Informationen über Lei­ tungen und Verbindungen zu einer entfernt befestigten Steue­ rung, die ein Antriebssignal für den elektrischen Motor be­ reitstellt, wiederum durch Leitungen und Verbindungselemente. Die Trennung dieser Einzelteile und ihre Verbindung durch Leitungen und Verbindungselemente kann die Quelle von Be­ triebsanomalitäten und Fehlern sein.

Die hierin offenbarte und beanspruchte Erfindung zielt darauf und ab, sowie auf verschiedene andere Konstruktionsformen.

Eine integrierte Steuerung für Abgasrückführungsventile, Tur­ bolader und ähnliches beinhaltet einen elektrischen Motor und eine Steuerung in einem gemeinsamen Gehäuse. Der Motor bein­ haltet eine Abtriebswelle mit einem Segmentrad und einem be­ nachbarten Sensor, der Signale entsprechend der Drehung und der Richtung der Drehung des Motors liefert. Der Motor treibt ebenfalls ein Getriebe mit einem Abtriebsglied, welches zu dessen Antrieb verbunden ist mit einem Steuerglied, wie ein Ventilbauteil in einem Abgasrückführungsventil oder Abgastur­ bolader. Ein Positionskodierungsmerkmal ist angeordnet auf dem Abtriebsglied und benachbarte Sensoren liefern Signale entsprechend der Position des Abtriebsgliedes. Die Sensoren treiben eine mikroelektronische Steuerung, die in Folge den Motor antreibt. Die mikroelektronische Steuerung erhält eben­ falls Positionsbefehle oder Anweisungen von einer externen Quelle. Vorzugsweise sind die Sensoren, der Antriebsmotor, das Getriebe und die mikroelektronische Steuerung alle in ei­ nem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines integrierten Motors und einer elektronischen Steuerung, die ein Steuerungsglied detektiert und positio­ niert.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Motors und einer elektronischen Steuerung, die innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses enthalten sind.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Motors und einer Steuerung, die die An­ zahl der externen Verkabelungen und der elektrischen Verbin­ der relativ zu vorhergehenden Konstruktionen reduziert.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Motors und einer Steuerung mit Detektionseinheiten, die sowohl mit dem Motor als auch mit dem Getriebeausgang verbun­ den sind.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch den Bezug auf die folgende Beschreibung in der bevor­ zugten Ausgestaltung und der beiliegenden Zeichnungen sicht­ bar, wobei gleiche Bezugszeichen zugehörig sind zum gleichen Bauteil, Element oder Merkmal.

Fig. 1 zeigt die schematische Aufsicht auf eine (interne) Verbrennungsmaschine mit einem durch einen linearen Abtrieb betriebenes Abgasrückführungsventil, eine integrierte Motor- und Steuerungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht einer (internen) Verbrennungsmaschine mit einem Abgasturolader-(Bypass)Ventil, betrieben durch einen linearen Abtrieb, einer integrierten Motor- und Steuerungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht eines linearen Ausganges, eines integrierten Motors und einer Steuerungsein­ heit entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Grundriss eines Magnetringes auf einer Antriebsmotorwelle eines linearen Ausganges einer integrierten Motor- und Steuerungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer elektro­ nischen Schaltung für einen integrierten Motor und eine Steuerungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 zeigt bruchstückhaft eine schaubildartige Ansicht ei­ nes Abgassystemes mit einem Abgasrückführungsventil, das durch ein Rotationsausgangselement einer, integrierten Motor- und Steuereinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung be­ trieben wird;

Fig. 7 zeigt bruchstückhaft ein Schaubild eines Abgassyste­ mes mit einem Abgasturbolader (Bypass) Ventil, betrieben mit­ tels eines Rotationsausgangselementes, einen integrierten Mo­ tor und eine Steuerungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Teilansicht eines Rotations­ ausgangselementes, einen integrierten Motor und eine Steue­ rungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf einen Magnet­ ring auf einer Antriebsmotorwelle eines Rotationsausgangs­ elementes, einer integrierten Motor- und Steuerungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine Rotati­ onseinheit zur Positionskodierung eines Rotationsausgangsele­ mentes, einer integrierten Motor- und Steuerungseinheit ent­ sprechend der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 wird eine interne Verbrennungsmaschine bildlich dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeich­ net. Die interne Verbrennungsmaschine 10 ist konventionell und beinhaltet einen Maschinenblock 12, auf dem montiert sind ein Einlasskrümmer 14, Ventilaufsätze 16, ein Ölfänger 18 und Abgaskrümmer 20. Die Abgaskrümmer 20 führen in ein Abgasrohr 22 mit Abzweigungen und Verbindungen mit einer Abgasrückfüh­ rungsleitung 24. Es ist selbstverständlich, dass die Maschine 10, die genauso bildhaft dargestellt ist wie die spezielle Konstruktion der Abgaskrümmer 20 und des Abgasrohres 22 le­ diglich beispielhaft und bildhaft dargestellt und allgemein stellvertretend für die Umgebung des typischerweise Mehrzy­ linderverbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung ist.

Die Abgasrückführungsleitung 24 steht in fließender Verbin­ dung mit dem Einlasskrümmer 14. Eine Einheit eines Abgasrück­ führungsventiles 28 (EGR) ist in der Abgasrückführungsleitung 24 angeordnet. Die Abgasrückführungsventileinheit 28 beinhal­ tet ein lineares Ausgangselement, einer integrierten Motor- und Steuereinheit 30 zum Antreiben und zur Positionierung ei­ nes Ventilkolbens 32, der in der Abgasrückführungsleitung 24 eingebaut ist. Der Ventilkolben 32 der Abgasrückführungsven­ tileinheit 28 ist auf einer axial bidirektional bewegbaren Ventilstange 34 befestigt. Entsprechend bewegt sich der Ven­ tilkolben 32 wenn eine einer translatorische Bewegung der Ventilstange 34 vorliegt, zwischen einer vollständig geöffne­ ten Position, wie es bildhaft in Fig. 1 dargestellt wird, und einer vollständig geschlossenen Position, wobei der Ven­ tilkolben 32 in Kontakt mit einem Ventilsitz 36 steht. Die integrierte Motor- und Steuereinheit 30 erhält Steuersignale und Betriebsspannung durch eine elektrische Leitung 38. Sen­ soren zur Erzeugung eines derartigen Steuersignales können beispielsweise angeordnet sein auf dem Maschinenblock 12, dem Einlasskrümmer 14 oder einer Drossel zur Detektion derartiger Bedingungen wie Maschinentemperatur, Krümmervakuum, Drossel­ position oder ähnliche variable Größen, Bedingungen oder Si­ gnale zur Bereitstellung von Information und zur Steuerung der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 30.

In Fig. 2 wird eine weitere Anwendung für das lineare Aus­ gangselement, der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 30 illustriert. Wiederum beinhaltet eine konventionelle (in­ terne) Verbrennungsmaschine 10 den Maschinenblock 12, den Einlasskrümmer 14, die Ventilaufsätze 16, den Ölfänger 18 und die Auslasskrümmer 20, die mit dem Abgasrohr 22 in Verbindung stehen. Wiederum wird die Verbrennungsmaschine 10 bildhaft und exemplarisch dargestellt, stellvertretend für Mehrzylin­ derverbrennungsmaschinen, die in Motorfahrzeugen eingesetzt werden. In dem Abgasrohr 22 ist ein Bypass-Ventil oder eine Abgasregelklappeneinheit 44 angeordnet, die einen Strom von Abgasen ausrichtet oder umleitet zu entweder einem ersten By­ passrohr oder Leitung 46, welches unmittelbar zu einem zu­ sätzlichen Abgasrohr 22A führt, oder zu einem zweiten aktiven Rohr oder Leitung 48, das zu einer Turboladereinheit 50 führt.

An der Verbindung des Abgasrohres 22, der Bypass-Leitung 46 und des aktiven Rohres 48 befindet sich ein Ablenkelement oder Schaufelradbauteil 52. Das Ablenkelement oder Schaufel­ radbauteil 52 ist auf einer Stummelwelle 54 angeordnet und zentral verbunden mit dem Ausgang des Motors und der Steuer­ einheit 30. Die translatorische Bewegung des Ausganges der integrierten Motor- und Steuereinheit 30 richten den Ab­ gasstrom von dem Abgasrohr 22 zu entweder der Bypass-Leitung 46 oder der aktiven Leitung 48 und von dort zu der Turbola­ dereinheit 50.

Die Turboladereinheit 50 ist bildlich dargestellt und reprä­ sentiv für eine breite Klasse von Vorrichtungen mit einer er­ sten (Abgas) Turbine 56, die in einem entsprechend ausgeleg­ ten Gehäuse 58 angeordnet ist, auf welcher die darauf wirken­ den Abgase von der aktiven Leitung 48 einwirken und diese in Drehung versetzen. Die erste (Abgas) Turbine 56 ist verbunden mit einer Welle 60, angeordnet auf entsprechenden Lagern für eine zweite (Luft) Turbine 62, welche ebenfalls in einem ge­ eigneten Gehäuse 64 untergebracht ist. Strömende und durch die zweite Turbine 62 komprimierte Luft verlässt das Gehäuse 64 über eine Luftauslassleitung 66 und wird an einem Einlass­ krümmer 14 bereitgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass die dargestellte Turboladereinheit allgemein Vorrichtungen dieser Art repräsentiert, die in Zusammenhang mit (internen) Verbrennungsmaschinen 10 verwendet werden.

Aus Fig. 3 geht hervor, dass die Position des Ventilkolbens 32 der Abgasrückführungsventileinheit 28 oder des Schaufel­ radbauteiles 52 von der Abgasregelklappeneinheit 44 angesteu­ ert wird durch die integrierte Motor- und Steuerungseinheit 30. Die integrierte Motor- und Steuerungseinheit 30 beinhal­ tet ein zweiteiliges Gehäuse 70. Das zweiteilige Gehäuse 70 beinhaltet unterschiedliche Öffnungen und zylindrische Ver­ tiefungen, die Bestandteil der integrierten Stellhebelsteuer­ einheit 30 aufnehmen und diese Bestandteile somit schützen.

Eine (nicht dargestellte) Dichtscheibe kann zur Abdichtung zwischen den Teilen des Gehäuses 70 verwendet werden. Vor­ zugsweise ist das Gehäuse 70 spritzgegossen aus Aluminium oder anderen geeigneten festen und relativ leichtgewichtigen Materialien.

Innerhalb des Gehäuses 70 ist befestigt ein bidirektionaler elektrischer Antriebsmotor 72 mit einer Abtriebswelle 74, die gekoppelt ist mit einem ersten Antriebszahnrad 76. An dem ge­ genüberliegenden Ende des Antriebsmotors 72 ist ebenso ein Segmentmagnetrad 78 befestigt und rotiert mit der Abtriebs­ welle 74. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist das Magnetrad 78 vorzugsweise unterteilt in zwölf Segmente von alternierenden magnetischen Polen, beispielsweise N-S-N-S usw., wobei jeder einen Bogen von 30° abdeckt. Wenn das Magnetrad 78 rotiert, so detektiert ein benachbarter erster Halleffektsensor 80 zur Impulszählung und zur Rotationserfassung, die Wechsel in der magnetischen Polarität und liefert Ausgangssignale, die so­ wohl eine Rotation als auch die Richtung der Rotation anzei­ gen. Die Geschwindigkeit der Rotation der Abtriebswelle 74 kann auch von der Pulszählung abgeleitet werden und als sepa­ rates Signal bereitgestellt werden oder wahlweise anschlie­ ßend berechnet werden. Mit einem Magnetrad 78 mit zwölf Seg­ menten werden zwölf Impulse pro Umlauf erzeugt. Der erste Halleffektsensor 80 kann entweder ein Modell 3422 Halleffekt­ sensor, hergestellt von der Firma Allegro Micro Systems, Inc., Worchester, Mass., sein oder eine funktionell ähnliche Vorrichtung wie optische oder veränderbare Magnetwider­ standsensoren, paarweise ausgebildet mit einem passend ausge­ staltete Segmentrad 78. Der erste Halleffektsensor 80 ist auf einer gedruckten Leiterplatte 82 montiert, an die eine Viel­ zahl von elektrischen Verbindungen hergestellt ist für die elektrische Leistungsversorgung, Erdung und für Geschwindig­ keits- und Richtungssignale.

Das erste Antriebszahnrad 76 ist in konstantem Eingriff mit den Zähnen eines Stirngetriebes 84, aufgenommen von einer Stummelwelle 86, welche in einem passenden, in dem Gehäuse 70 ausgebildeten Sackloch 88 untergebracht ist. Das Stirngetrie­ be 84 ist gekoppelt oder integral ausgebildet mit einem zwei­ ten Zahnradgetriebe 90, welches ineinandergreift mit einer Zahnstange 92, ausgebildet in oder auf einem linearen Ausga­ beglied 94. Das lineare Ausgabeglied 94 ist gekoppelt mit der oder bildet einen Teil der Ventilstange 34. Das lineare Aus­ gabeglied 94 wird aufgenommen mit einem komplementär dimen­ sionierten langgestreckten Lager oder einer Buchse 96, ausge­ bildet in dem Gehäuse 70. Eine O-Ringdichtung 98 verhindert den Eintritt von Fremdmaterialien in das Gehäuse 70 in der Umgebung des Ausgabegliedes 94. Eine Druckfeder 100, die po­ sitioniert und gehalten sein kann auf einer in dem Gehäuse 70 ausgebildeten Nase 102 und das Ausgabeglied 94 liefern eine Kraft, die das Ausgabeglied 94 in seiner vorgerückten oder verlängerten Position vorspannt.

Zwischen der Zahnstange 92 und benachbart zu dem Ende des Ausgabegliedes 94 innerhalb des Gehäuses 70 befindet sich ein Bereich von Stabmagneten 104 mit einer Vielzahl von alternie­ renden Nord- und Südpolen, der sich langgestreckt ausdehnt entlang des Ausgabegliedes 94. Benachbart und mit detektie­ rendem Wirkzusammenhang mit den Stabmagneten 104 befindet sich ein zweiter Halleffektsensor 108 zur Kalibrierung und Positionierung. Der zweite Halleffektsensor 108 kann ein Mo­ dell 3280, hergestellt von Allegro Micro Systems, Inc., Wor­ chester, Mass., sein. Wie bereits bemerkt sind ebenso andere Sensoren einsetzbar wie veränderbare Magnetwiderstandssensoren oder optische Sensoren mit einem geeigneten Ersatz von aus­ lesbaren Merkmalen für die Stabmagneten 104. Eine Vielzahl von elektrischen Leitern 110 erstreckt sich von dem zweiten Halleffektsensor 108 zu der Leiterplatte 82. Ein elektrisches Verbindergehäuse 114 ist dichtend an dem Gehäuse 70 befestigt und beinhaltet eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen 116, welche die Leiterplatte 82 mit einem oder mehreren ex­ ternen Vorrichtungen verbindet.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Schaubild der Steuerschaltung 120, welche aufgebracht sein kann auf die Leiterplatte 82, die in dem Gehäuse 70 einer integrierten Motor- und Steue­ rungseinheit 30 entsprechend der vorliegenden Erfindung ein­ gebaut ist. Die Steuerungsschaltung 120 beinhaltet einen Spannungsregulierer 122, der ständig die Batteriespannung von einer (nicht dargestellten) Fahrzeugbatterie über eine Lei­ tung 124 erhält, sowie ein Zündsignal über eine Leitung 126, wenn die Zündung des Fahrzeuges aktiviert ist. Wenn die Zün­ dung aktiviert ist, so wird geregelte elektrische Leistung an einen Mikrocontroller (elektronisches Bauelement) 128 in ei­ ner elektrischen Leitung 130 geliefert. Eine Steuerungslei­ tung 132 stellt ein Signal für den Mikrocontroller 128 be­ reit, welches die Bewegung der überwachten Vorrichtung (die Abgasrückführungsventileinheit 28 oder die Abgasregelklap­ peneinheit 44) für eine neue gewünschte Position anfordert oder vorschreibt. Vorzugsweise wird das Signal in der Steue­ rungsleitung 132 ein pulsweiten moduliertes Signal (PWM) sein oder ein ähnliches Modulationssteuersignal, welches den elek­ trischen Motor 72 absolut steuert auf eine gewünschte Modula­ tions- oder Proportionalposition.

Der erste Halleffektsensor 80 liefert Signale an den Mikro­ controller 128, die stellvertretend sind für Rotation und Richtung des Segmentmagnetrades 78 und somit für den Motor 72 über eine Vielzahl von Leitungen 134. Der zweite Halleffekt­ sensor 108 liefert in gleicher Weise Signale, die stellver­ tretend sind für die Stellung des Ausgangsgliedes 94 über die Leitungen 110. Bei gegebenen Daten von dem ersten Hallef­ fektsonsor 80 und dem zweiten Halleffektsensor 108 vergleicht der Mikrocontroller 128 die Daten in Bezug auf die augen­ blickliche Position des Ausgangsgliedes 94 mit denen, die an­ gefordert sind oder in der Eingangssignalleitung 132 erschei­ nen. Ein Unterschied zwischen der angeforderten und der aktu­ ellen Position des Ausgangsgliedes 94 veranlasst den Mikro­ controller 128 ein Positionierungssignal in einer Vielzahl von Leitungen 138 zu erzeugen, wodurch ein H-Brückenbauelement 140 angeregt wird, welches eine geeignete Polarität liefert und den Motor 72 über die Leitungen 142 mit Energie versorgt oder abschaltet, um die in der Steuerleitung 132 geforderte Neupositionierung zu bewirken.

Unter Bezug auf Fig. 6 wird eine erste alternative Darstel­ lung eines Rotationsmaschinenausganges, einer integrierten Motor und Steuerungseinheit, verwendet mit einem Abgasrück­ führungsventil, bildhaft dargestellt und durch das Bezugszei­ chen 150 bezeichnet. Die erste alternative Darstellung des Rotationsmaschinenausganges der integrierten Motor und Steue­ rungseinheit 150 wird verwendet in Zusammenhang mit einer in­ ternen Verbrennungsmaschine 10 mit den Bestandteilen, wie sie oben unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurden, insbesondere dem Abgasrohr 22 und der Abgasumlaufleitung 24. Der Rotati­ onsmaschinenausgang mit integriertem Motor und Steuerungsein­ heit 150 dreht sich bidirektional und positioniert ein Dros­ selventil oder ein Tellerventil 152, welche auf einer Welle 153 eines Abgasrückführungsventiles 281 befestigt sind, das in der Abgasrückführungsleitung 24 untergebracht ist.

Wie in Fig. 7 dargestellt, kann ein Rotationsmaschinenaus­ gang mit integrierter Motor und Steuerungseinheit 150 ebenso eingesetzt werden, um ein Steuerglied zu positionieren, wie ein Strömungsablenkelement oder Schaufelrad 52, welche befe­ stigt sind auf einer Stummelwelle 54 einer Abgasturbola­ dereinheit 44. Wiederum wird der Rotationsmaschinenausgang der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 150 verwendet mit einer internen Verbrennungsmaschine 10 mit den Bestand­ teilen, wie sie unter Bezug auf die Fig. 2 beschrieben wer­ den. Das Ablenkelement oder Schaufelradglied 52 richtet den Abgasstrom aus zwischen einem ersten Bypassrohr oder einer Leitung 46 und einem zweiten aktiven Rohr oder Leitung 48, welche strömungsmäßig zusammenwirkt mit dem Abgasturbolader 50 mit der ersten (Abgas) Turbine 56, dem Gehäuse 58, der Welle 60, der zweiten (Luft) Turbine 62, dem zweiten Gehäuse 64 und der Luftauslassleitung 66.

In den Fig. 8 und 9 wird deutlich, dass der Rotationsma­ schinenausgang mit integrierter Motor- und Steuerungseinheit 150 ein zweiteiliges Gehäuse 154 beinhaltet, welches wiederum verschiedene Öffnungen und Bohrungen aufweist, die Bestand­ teile der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 150 auf­ nehmen und diese Bestandteile schützen. Eine Elastomer- Flachdichtung 156 gewährleistet eine passende Dichtung zwi­ schen den Bestandteilen des zweiteiligen Gehäuses 154. Vor­ zugsweise ist das Gehäuse 154 spritzgegossen aus Aluminium oder anderen passenden festen und relativ leichtgewichtigen Materialien. Innerhalb des Gehäuses 154 ist ein elektrischer Antriebsmotor 158 mit elektrischen Zuleitungen 160 befestigt. Der elektrische Antriebsmotor 158 treibt eine Abtriebswelle 164, die gekoppelt ist mit einem ersten Antriebszahnrad 166. Ebenso ist ein Segmentmagnetrad 168 mit der Abtriebswelle 164 und dem ersten Antriebszahnrad 166 verbunden und rotiert da­ mit. Das Segmentrad 168 ist vorzugsweise unterteilt in vier Quadranten mit alternierenden Magnetpolen, von denen jeder einen Bogen von 90° abdeckt. Wenn das Segmentrad 168 rotiert, so detektiert der erste Halleffektsensor 170 Wechsel in der magnetischen Polarität und liefert Ausgangssignale, die so­ wohl die Rotation als auch die Richtung der Rotation anzei­ gen. Der erste Halleffektsensor 170 ist auf einer Leiterplat­ te 172 befestigt, welche innerhalb des Gehäuses 154 unterge­ bracht ist. Mit einem Segmentmagnetrad 168 mit vier Quadran­ ten werden vier Impulse pro Umlauf erzeugt. Der erste Hallef­ fektsensor 170 kann ein Allegro Modell 3422, Halleffektsensor oder eine funktionell ähnliche Vorrichtung sein, wie optische oder veränderbare Magnetwiderstandssensoren.

Das erste Antriebszahnrad 166 ist in konstantem Eingriff mit den Zähnen eines Stirngetriebes 174, welches aufgenommen wird von einer Stummelwelle 176 mit Sitz in passend ausgerichteten Bohrungen 178, die in dem Gehäuse 154 ausgebildet sind. Das erste Stirngetriebe 174 ist gekoppelt mit oder integral aus­ gebildet mit einem zweiten Zahnradgetriebe 180, welches eine zweite Geschwindigkeitsreduzierung bewirkt mit einem zweiten Stirngetriebe 182. In ähnlicher Weise ist das zweite Stirnge­ triebe 182 an einer Stummelwelle 184 befestigt, welche aufge­ nommen wird von einer passenden Verschleißschutzhülse 186, die wiederum in dem Gehäuse 154 eingebaut ist.

Das zweite Stirngetriebe 182 ist starr befestigt an einer Ab­ triebswelleneinheit 190 und rotiert mit dieser. Die Abtriebs­ welleneinheit 190 beinhaltet eine kreisförmige Scheibe oder Platte 192, die befestigt oder integral ausgebildet ist mit der Stummelwelle 184. Auf der gegenüberliegenden Seite des zweiten Stirngetriebes 182 befindet sich ein Ausgangsglied 194, das in einer Verschleißschutzbuchse 196 aufgenommen ist. Das Ausgangsglied 194 bestimmt eine Keilnabe 198, welche auf­ nimmt und antreibt, ein komplementär ausgebildetes Bestand­ teil, wie die Welle 153 der Abgasrückführungsventileinheit 281 oder die Stummelwelle 54 der Abgasregelklappeneinheit 44.

Unter Bezug auf Fig. 10 wird deutlich, dass die kreisförmige Platte 192 eine regelmäßige Anordnung von gekrümmten Magnet­ bereichen 202 beinhaltet, die in Spuren 204A und 204B aufge­ bracht sind in zueinander analoger Ausbildung und Grauwertko­ dierungsdaten erzeugen, wenn die kreisförmige Platte 122 ro­ tiert über eine Vielzahl, vorzugsweise zwei, nicht kontaktie­ rende Sensoren 206A und 206B. Einer der Sensoren 206A und 206B ist ausgerichtet mit einer jeweiligen der Spuren 204A und 204B der Magnetbereiche 202 auf der kreisförmigen Platte 192. Die Sensoren 206A und 206B sind vorzugsweise Halleffekt­ sensoren, obwohl andere Arten von Sensoren, wie optische oder veränderbare Magnetwiderstandssensoren, eingesetzt werden könnten. Die Magnetbereiche 202 wirken zusammen mit den Hall­ effektsensoren 206A und 206B. Die kreisförmige Platte 192 kann jedoch aus anderen Materialien hergestellt sein oder Öffnungen beinhalten, die entsprechend zusammenwirken mit der speziellen Art der verwendeten Sensoren 206A und 206B.

Das Segmentmagnetrad 168 und die kreisförmige Platte 192 wir­ ken zusammen, um hochgenaue Positionsinformationen an einen Mikrocontroller 210 zu liefern, der auf der Leiterplatte 172 innerhalb des Gehäuses 154 aufgebracht ist. Das heißt, dass die Grauwertkodierungsgestaltung der kreisförmigen Platte 192 eine positive Anzeige von vier Winkelbereichen liefert, von denen sich jeder über 45° erstreckt. Diese vier Bereiche wer­ den positiv identifiziert durch die zwei Halleffektsensoren 206A und 206B. Zur gleichen Zeit liefern das Segmentrad 168. und der erste Sensor 170 einen Impuls auf jede 90°-Drehung (vier Impulse pro Umdrehung)an den Mikrocontroller 210, wo­ durch ermöglicht wird, nicht nur die Umlaufaktivität des An­ triebsmotors 158 zu bestimmen, beispielsweise den Betrieb und die Richtung, sondern ebenso die Position der Abtriebswelle 184 und des Ausgabegliedes 194 zu berechnen. Dies ist in der Tat möglich, da die Getriebeeinheit eine feste bekannte und wiederholte Position und Geschwindigkeitsreduzierung zwischen der Abtriebswelle 164 des Antriebsmotors 158 und der Stum­ mel(Abtriebs)Welle 184 des Rotationsmaschinenabtriebes der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 150 liefert. Somit können die durch die Rotation des Segmentrades 168 erzeugten Impulse des ersten Halleffektsensors 170 gezählt werden, um die Position der kreisförmigen Platte 192 zu bestimmen, wo die kodierten Signale der Halleffektsensoren 206A und 206B keine Positionsinformationen mit ausreichender Bestimmungsge­ nauigkeit liefern. Beispielsweise kann von einer bekannten Startposition die Position der Stummel-Abtriebs-Welle 184 be­ rechnet werden durch die Teilung der Anzahl der Impulse des Sensors 170 durch das Vierfache der Getriebeübersetzungsrate zwischen dem elektrischen Motor 158 und der Stummelwelle 184.

Genauso gut kann eine kreisförmige Platte 192 mit drei Spuren und drei Sensoren oder vier Spuren und vier Sensoren einge­ setzt werden, in Abhängigkeit von der notwendigen Bestim­ mungsgenauigkeit, das heißt, wie viele einzelne detektierte und kodierte Positionen der kreisförmigen Platte 192 notwen­ dig sind, genauso wie die logischen und betriebsmäßigen Fä­ higkeiten des Mikrocontrollers 210 und seiner Software. Die Schaltung der in dem Rotationsausgang der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 150 verwendeten Leiterplatte ist vor­ zugsweise genauso wie oder ähnlich der Steuerschaltung 120 auf der Leiterplatte 82, wie sie oben unter Bezug auf Fig. 5 dargestellt und beschrieben ist und dem linearen Ausgang der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 30.

Wie erwähnt, ist die Schaltungsplatine 172 vollständig in dem Gehäuse 154 der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 150 des Rotationsmaschinenausganges enthalten. Somit ist sie ge­ schützt vor Umgebungsbedingungen durch das relativ robuste Gehäuse 154, in dem die mechanischen Bestandteile der Einheit 150 enthalten und positioniert sind. Die Sensoren 170, 206A und 206B sind nächstliegend zu der Schaltungsplatine 172 be­ festigt und viele andere elektronische und halbleitende Vor­ richtungen wie der Mikrocontroller 210 sind direkt darauf montiert. Die elektrischen Zuleitungen 160 verbinden den An­ triebsmotor 148 mit geeigneten Plätzen auf der Leiterplatte 172. Ein Verbindungsgehäuse 212 ist dichtend auf dem Gehäuse 154 befestigt und beinhaltet eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen 214, welche elektrische Energie und unterschied­ liche Steuersignale an den Mikrocontroller 210 und letztend­ lich an den Motor 158 bereitstellt.

Es ist klar, dass die Anordnung des Mikrocontrollers 210 und damit verbundener elektronischer Vorrichtungen innerhalb des Gehäuses 154 der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 150 des Rotationsmaschinenausganges nicht nur viele elektri­ sche Zuleitungen verkürzt, wie solche Zuleitungen 160 von der Leiterplatte 172 zu dem elektrischen Motor 158, sondern eben­ so die Anzahl der elektrischen Anschlüsse 214 und die damit verbundenen Drähte zu der Leiterplatte 172, die durch das Ge­ häuse 154 geführt werden müssen, minimiert. Die bisher aufge­ zählten Merkmale und Vorteile werden natürlich angewandt mit gleicher Kraft des linearen Ausganges der integrierten Motor- und Steuerungseinheit 30, wie oben beschrieben.

Es wird ebenfalls angenommen, dass, während im Bisherigen der lineare Ausgang und der rotierende Ausgang von integrierten Motor- und Steuerungsschaltungen 30 und 150 beschrieben wurde in Zusammenhang mit Abgasrückführungsventilen und Abgasturbo­ ladern, können sie ebenso passend eingesetzt werden zur Über­ wachung anderer Vorrichtungen in den unterschiedlichen Syste­ men von Motorfahrzeugen mit internen Verbrennungsmaschinen.

Die bisherige Offenbarung stellt die beste Ausführungsform der Erfindung zur praktischen Durchführung derselben dar. Es wird jedoch deutlich, dass Geräte, die Modifikationen und Va­ rianten beinhalten, für den Durchschnittsfachmann auf dem Ge­ biet von motorgetriebenen Überwachungsmechanismen offensicht­ lich sind. Insofern als das hier Offenbarte die beste Ausfüh­ rungsform darstellt, die durch die Erfinder zur Ausführung der Erfindung und zur Befähigung eines jeden auf diesem Fach­ gebiet tätigen Fachmannes die Erfindung durchzuführen be­ trachtet wird, sollte dies nicht einschränkend betrachtet sondern derart ausgelegt werden, um derartige vorher erwähn­ te, offensichtliche Varianten zu beinhalten und lediglich durch den Sinn und den Rahmen der folgenden Ansprüche einge­ grenzt werden.

Claims (20)

1. Integrierte Motor- und Steuerungseinheit für Abgasrück­ führungsventile oder Abgasturbolader, die Folgendes in Kombi­ nation enthält,
ein Gehäuse
einen Antriebsmotor in dem Gehäuse mit einem Abtrieb,
einem zur Rotation auf dem Abtrieb des elektrischen An­ triebsmotors positionierten Segmentrad,
einem ersten Sensor, eingerichtet für sensitiven Wirkzu­ sammenhang mit dem Segmentrad,
einem in dem Gehäuse untergebrachten Getriebe, funkti­ onsmäßig gekoppelt mit dem Abtrieb des Antriebsmotors mit ei­ nem Ausgangsglied,
eine Positionierungseinheit, eingerichtet zur Bewegung mit dem Ausgangsglied, wobei die Positionierungseinheit eine Vielzahl von getrennten Signalerzeugungsbereichen aufweist,
zumindest einem Sensor, der in sensitivem Wirkzusammen­ hang mit der Positionlerungseinheit steht, und
eine in dem Gehäuse untergebrachte Leiterplatte mit ei­ nem Mikrocontroller, der funktionsmäßig gekoppelt ist mit den Sensoren und funktionsmäßig angetrieben wird durch den An­ triebsmotor.

2. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Sensoren Halleffektsensoren sind.

3. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsglied rotiert und die Positionierungseinheit auf ei­ ner bogenförmigen regelmäßigen Anordnung angeordnet ist.

4. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsglied linear verschiebbar und die Positionierungsein­ heit linear positionierbar ist.

5. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor sowohl die Rotation als auch die Richtung der Rotation detektiert.

6. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei das Getriebe eine Vielzahl von Antriebsritzeln und Stirnrädern zur Reduktion der Geschwindigkeit und zur Erhöhung des Drehmomentes des Antriebsmotors beinhaltet.

7. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei zu­ sätzlich ein Mehrfachleitungsverbinder durch das Gehäuse er­ streckt ist.

8. Integrierte Motor- und Steuerungseinheit zum Einsatz mit
einem Merkmal einer internen Verbrennungsmaschine, die in Kombination Folgendes aufweist,
ein Gehäuse,
einen elektrischen Antriebsmotor in dem Gehäuse mit ei­ nem Abtrieb,
eine Rotationsdetektionseinheit auf dem Abtrieb des elektrischen Antriebsmotors,
ein Getriebe in dem Gehäuse, funktionsmäßig gekoppelt mit dem Abtrieb des Antriebsmotors, mit einem Ausgangsglied,
eine Detektoreinheit, ausgelegt zur Bewegung mit dem Ausgangsglied, wobei die Detektoreinheit in eine Vielzahl von getrennten Sensorbereichen unterteilt ist,
mindestens einen Sensor, eingerichtet für sensitiven Wirkzusammenhang mit der regelmäßigen Detektionsanordnung, und
eine Leiterplatte in dem Gehäuse mit einem Mikrocontrol­ ler, der funktionsfähig gekoppelt ist mit der Detektionsein­ heit und dem zumindest einen Sensor.

9. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 8, wobei die Detektionseinheit und der zumindest eine Sensor Halleffekt­ sensoren beinhalten.

10. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 8, wobei das Getriebe eine Vielzahl von Antriebsritzeln und Stirnrädern zur Reduzierung der Geschwindigkeit und zur Erhöhung des Drehmomentes des Antriebsmotors beinhaltet.

11. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 8, wobei der Mikrocontroller funktionsmäßig den elektrischen Antriebsmotor überwacht.

12. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 8, wobei das Ausgangsglied rotiert und die Detektionseinheit in einer bo­ genförmig regelmäßigen Anordnung positionierbar ist.

13. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 8, wobei das Ausgangsglied linear bewegbar ist und die Detektionseinheit linear positionierbar ist.

14. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 8, wobei das Ausgangsglied rotiert und die Detektionseinheit eine Vielzahl von gekrümmten Bahnen enthält.

15. integrierte Motor- und Steuerungseinheit zum Einsatz mit
einem Merkmal einer internen Verbrennungsmaschine, die in Kombination beinhaltet,
ein Gehäuse,
einen elektrischen Antriebsmotor in dem Gehäuse mit ei­ nem Abtrieb,
ein Segmentmagnetrad auf dem Abtrieb des elektrischen Antriebsmotors,
einen ersten Sensor, eingerichtet mit sensitivem Wirkzu­ sammenhang mit dem Segmentmagnetrad,
ein Getriebe, eingerichtet in dem Gehäuse, funktionsmä­ ßig gekoppelt mit dem Ausgang des Antriebsmotors und mit ei­ nem Ausgangsglied,
eine regelmäßige Magnetanordnung, eingerichtet zur Bewe­ gung mit dem Ausgangsglied, wobei in der Magnetanordnung eine Vielzahl von getrennten Magnetbereichen definiert ist,
zumindest einen Sensor, der ausgelegt ist mit sensitivem Wirkzusammenhang mit der Magnetanordnung, und
eine Leiterplatte, die in dem Gehäuse positioniert ist mit einem Mikrocontroller, der funktionsmäßig gekoppelt ist mit der Detektionseinheit und dem zumindest einen Sensor.

16. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 15, wobei die Sensoren Halleffektsensoren sind.

17. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 15, wobei der erste mit dem Magnetrad verbundene Sensor auch die Rich­ tung der Rotation detektiert.

18. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 15, wobei das Getriebe eine Vielzahl von Antriebsritzeln und Stirnrä­ dern zur Reduzierung der Geschwindigkeit und zur Erhöhung des Drehmomentes des Antriebsmotors beinhaltet.

19. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 15, wobei das Ausgangsglied rotiert und die regelmäßige Magnetanordnung zumindest durch zwei Spuren mit bogenförmigen Bereichen defi­ niert ist.

20. Integrierte Steuerungseinheit nach Anspruch 15, wobei das Ausgangsglied linear bewegbar ist und die regelmäßige Ma­ gnetanordnung linear ist.