DE102007032432B4

DE102007032432B4 - Verbrennungsmotoren mit stellglied mit antrieb mit variablem übersetzungsverhältnis und ventil dafür

Info

Publication number: DE102007032432B4
Application number: DE102007032432A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hannewald; Russel Miles Modien
Original assignee: Siemens Canada Ltd; Continental Automotive GmbH
Current assignee: Siemens Canada Ltd Mississauga Ca; Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: FR2903452B1; DE102007032432A1; US20080105240A1; US7775197B2; FR2903452A1

Abstract

Verbrennungsmotor mit: einem Subsystem mit einem beweglichen Element, das von einem Antrieb bewegt wird, um den Fluss eines Fluids zu steuern, das mit dem Betrieb des Motors verbunden ist; wobei der Antrieb eine Antriebsmaschine und einen Mechanismus aufweist, der die Antriebsmaschine mit dem beweglichen Element koppelt; wobei der Mechanismus – ein erstes Bauteil, das von der Antriebsmaschine um eine erste Achse (38) gedreht wird und das einen ersten Satz von Verzahnungen (40) aufweist, die in einem konstanten Radius angeordnet sind, um um die erste Achse (38) herum zu drehen, – ein zweites Bauteil (42), das einen zweiten Satz (46) von Verzahnungen aufweist, der in einem konstanten Radius zu einer zweiten Achse (50) angeordnet ist, um die sich das zweite Bauteil (42) dreht und der mit dem ersten Satz von Verzahnungen (40) des ersten Bauteils in Eingriff steht, um zu bewirken, dass das zweite Bauteil (42) um die zweite Achse (50) als Reaktion auf das Drehen des ersten Bauteils (40) um die erste Achse (38) dreht, wobei das zweite Bauteil (42) des Weiteren einen dritten Satz (48) von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, der, sich auf die zweite Achse (50) bezogen, in Umfangsrichtung um die zweite Achse (50) herum erhöht, 3) ein drittes Bauteil (44), das einen vierten Satz (62) von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, der sich auf eine dritte Achse (64) bezogen, um die sich das dritte Bauteil (44) dreht, in Umfangsrichtung mit dem zunehmenden Radius des dritten Satzes (48) von Verzahnungen des zweiten Bauteils (42) abnimmt, und 4) eine operative Verbindung von dem dritten Bauteil (44) zu dem beweglichen Element zum Umwandeln der Drehung des dritten Bauteils (44) in eine Bewegung des beweglichen Elements aufweist ...

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Stellglieder von Vorrichtungen, die bestimmte Funktionen in bestimmten Subsystemen eines Verbrennungsmotors durchführen, der ein Kraftfahrzeug antreibt. Beispiele solcher Subsysteme sind Motor-Ansaugleitung, Motor-Auspuff sowie Abgasrückführung (AGR). Beispiele von bestimmten Vorrichtungen mit Stellgliedern zur Durchführung von Steuerungsfunktionen umfassen Motorsammelleitungsabstimmungseinrichtungen, Abgassteuerungsventile wie zum Beispiel AGR-Ventile, Luftsteuerungsventile, Abgasgegendrucksteuerungsventile und Turbolader.
Hintergrund der Erfindung
Wenn das bewegliche Element von bestimmten Steuereinrichtungen aus einer stationären Position von einem Stellglied bewegt wird, muss typischerweise Haftreibung überwunden werden, bevor das Steuerelement beginnen kann, sich zu bewegen. Zur Steuerung einer Steuereinrichtung mit einem elektrischen Stellglied wie zum Beispiel einem Linear- oder Rotationselektromotor, der ein Steuerventilelement bewegt, können bekannte Steuerungsstrategien eine elektrische Lösung zur Einstellung des Steuersignals an das Stellglied zur Verfügung stellen, um die erhöhte Kraft oder das erhöhte Drehmoment bereitzustellen, das benötigt wird, um die Haftreibung zu überwinden. Sobald jedoch die Haftreibung überwunden wurde, wird die hinzugefügte Kraft oder das hinzugefügte Drehmoment typischerweise unnötig und oftmals tatsächlich unerwünscht.
Wenn ein Stellglied oder ein bestimmter Abschnitt der Last, die durch ein Stellglied bewegt wird, ein Vorspannelement wie zum Beispiel eine Rückholfeder umfasst, kann es wünschenswert sein, einen Ausgleich für die variable Kraft oder das variable Drehmoment, das durch solch ein Vorspannelement ausgeübt wird, als Teil der Gesamtsteuerungsstrategie mit einzubinden.
Es ist ebenfalls bekannt, einen Antrieb mit variabler Übersetzung als eine mechanische Lösung zum Ausgleich für die Gegenkraft oder das Gegendrehmoment einzubeziehen, der in gewisser Weise entweder linear oder nichtlinear als eine Funktion der Position und/oder der Geschwindigkeit einer Last ändert, die von einem Stellglied bewegt wird, zum Beispiel wenn eine Rückholfeder vorhanden ist. Die Funktion eines Antriebs mit variabler Übersetzung ist es, einen verbesserten Drehmoment/-kraftvorteil über einen bestimmten Bewegungsbereich oder -bereiche bereitzustellen, und gleichzeitig eine vernünftige Antwort oder Bewegungsgeschwindigkeit über den gesamten Bewegungsbereich bereitzustellen. Eine derartige mechanische Lösung kann entweder selbständig oder in Verbindung mit einer elektrischen Lösung verwendet werden.
Ein Antrieb mit variabler Übersetzung vom Typ Getriebe ist ein Typ eines solchen Antriebsmechanismus. Die Einbeziehung dieses Typs in ein Stellglied umfasst die Auswahl eines Übersetzungsverhältnisses. Für die Fähigkeit eines bestimmten elektrischen Stellglieds, eine Last zu bewegen, ist das Übersetzungsverhältnis, das schließlich ausgewählt wird, inhärent ein Kompromiss zwischen geeignetem Drehmoment/Kraft und Bewegungsgeschwindigkeit, da das Erhöhen des Verhältnisses, um mehr Kraft/Drehmoment auf die Last zu bringen, die Bewegungsgeschwindigkeit der Last reduziert und umgekehrt.
Des Weiteren kann, aus einem von verschiedenen Gründen, die von dem bestimmten Steuereinrichtungstyp, der betrieben wird, außer Haftreibung und Vorspannung abhängen, das wirksame Belasten des Stellglieds über verschiedene Abschnitte des Bewegungsbereichs des beweglichen Elements hinweg signifikant verschieden sein. Zum Beispiel kann das Anhaften von Verschmutzung oder eine Veränderung des Differentialflüssigkeitsdrucks, der auf ein bewegliches Ventilelement wirkt, zum Beispiel wenn das Ventilelement aufgerissen bzw. angelüftet wird, die Last, die auf das Stellglied einwirkt, in einer Art und Weise verändern, die nach einem gewissen Ausgleich verlangt, sei es elektrisch und/oder mechanisch.
Wenn variierende Kraft- oder Drehmomentanforderungen bei gleichzeitigem Vorhandensein von Kosten- und/oder Umwelt- und/oder Verpackungsrandbedingungen ausgeglichen werden müssen, können optimale Lösungen schwierig zu realisieren sein.
Aus der DE 600 09 590 T2 , der DE 696 19 962 T2 und der DE 102 45 193 A1 sind jeweils Stelleinheiten für Drosselklappen bekannt bei denen durch ineinandergreifende Zahnräder mit Verzahnungen mit variablem Radius relativ zur Drehachse variierende Kraft- oder Drehmomentanforderungen erfüllt werden. Sie weisen aber keine Anschläge auf.
Speziell aus der DE 102 45 193 A1 ist auch bekannt, Abschnitte der Verzahnungen mit konstantem Radius zu versehen.
Aus der US 2002/0096142 A1 ist eine auf einem Hebelarmsystem mit drei Armen basierende Drosselklappensteuerung bekannt, die variierende Kraft- oder Drehmomentanforderungen erfüllt.
Aus der DE 198 42 807 A1 ist eine weitere Getriebevorrichtung zur Fluidsteuerung in Verbrennungsmotoren bekannt, die aber nicht auf eine, Hebelarmsystem basiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verbrennungsmotoren mit einem beweglichen Element, das von einem Antrieb bewegt wird, um den Fluss eines Fluids zu steuern, das mit dem Betrieb des Motors verbunden ist, wenn Kraft- oder Drehmomentsanforderungen variieren und entsprechende Ventile bereitzustellen, wobei positive Anschläge für die Bewegung bereitgestellt und externe Anschläge vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verbrennungsmotoren bzw. ein Ventil mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei Antrieben mit variablem Übersetzungsverhältnis von Stellgliedern, die verwendet werden, um Steuereinrichtungen in Motor-Subsystemen zu betreiben, wie sie beispielsweise oben beschrieben wurden.
Die offenbarten Ausführungsformen der Antriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis bieten nach Überzeugung Lösungen, die insbesondere nützlich sind, wenn wesentliche Randbedingungen, wie zum Beispiel verfügbarer Platz und Kosten und/oder bestimmte Kraft-/Drehmoment- und Performanzanforderungen erforderlich sind.
Ein Merkmal einer Ausführungsform, die Sätze von Verzahnungen verwendet, die angeordnet sind, um ein variables Antriebsübersetzungsverhältnis bereitzustellen, betrifft die Integration von zwei Sätzen von Verzahnungen in einen einzelnen einheitlichen Bestandteil des Mechanismus. Dies eliminiert jeglichen Bedarf, die beiden Sätze von Verzahnungen zusammenzubauen, und die möglichen Toleranzauswirkungen solch eines Montageprozesses.
Anschläge zur Definition des Betriebsbereichs des Antriebsmechanismus sind ebenfalls in den einzelnen einheitlichen Bestandteil integriert sowie in einen zweiten einzelnen einheitlichen Bestandteil, der einen Satz von Verzahnungen enthält, der durch die Verzahnungen des einen der beiden Sätze in dem ersten einzelnen einheitlichen Bestandteil angetrieben werden.
Praktische Beispiele von Verbesserungen, die bei bestimmten Ventilen durch die Verwendung eines Antriebs mit variablem Übersetzungsverhältnis anstatt eines konstanten Übersetzungsverhältnisantriebs erzielt werden, werden

1) durch ungefähr eine 40-prozentige Drehmomentverbesserung an dem Beginn des Öffnens eines geschlossenen Ventils, ohne in signifikanter Weise die Gesamtantwortzeit (volle Reichweite) zu beeinflussen,
2) durch Erhöhen der Startkraft von etwa 200 Newton auf etwa 300 Newton, wenn die Drehbewegung in eine Linearbewegung übersetzt wird, wodurch eine Minimalanforderung zur Vermeidung von Ventilanhaftung aufgrund von Abgasablagerungen in einem AGR-Ventil überschritten wird, und
3) durch eine Eignung, eine Spitzenlast durch die Verwendung eines kleineren und billigeren Elektromotors zu bewältigen, ohne in signifikanter Weise die Antwortzeit des Stellglieds zu beeinträchtigen, veranschaulicht.

Ein allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der ein Subsystem mit einem beweglichen Element aufweist, das von einem Stellglied bewegt wird, um den Fluss eines Fluids zu steuern, das mit dem Betrieb des Motors verbunden ist. Das Stellglied weist eine Antriebsmaschine und einen Mechanismus auf, der die Antriebsmaschine mit dem beweglichen Element koppelt.
Der Mechanismus weist 1) einen ersten Abschnitt, der von der Antriebsmaschine um eine erste Achse gedreht wird und der einen ersten Satz von Verzahnungen aufweist, der bei einem konstanten Radius um die erste Achse angeordnet ist, 2) einen zweiten Abschnitt, der einen zweiten Satz von Verzahnungen aufweist, die in einem konstanten Radius zu einer zweiten Achse angeordnet sind, um die sich der zweite Abschnitt dreht und die in Engriff mit dem Satz von Verzahnungen des ersten Abschnitts steht, sodass sich der zweite Abschnitt um die zweite Achse als Antwort auf das Drehen des Abschnitt um die erste Achse dreht, wobei der zweite Abschnitt des Weiteren einen dritten Satz von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen auf die zweite Achse bezogenen Radius beschrieben ist, der sich in Umfangsrichtung erhöht, 3) einen dritten Abschnitt, der einen vierten Satz von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen auf die dritte Achse bezogenen Radius beschrieben wird, der sich in Umfangsrichtung erhöht, in einem umfänglichen Sinne entsprechend dem sich erhöhenden Radius des dritten Satzes von Verzahnungen des zweiten Abschnitts abnimmt, und 4) eine operative Verbindung von dem dritten Abschnitt zu dem beweglichen Element zum Umwandeln der Drehung des dritten Abschnitts in eine Bewegung des beweglichen Elements auf.
Die Zähne der dritten und vierten Sätze, die sich entlang der entsprechenden Bögen erstrecken, sind angeordnet, dass sie eine gegenseitige ineinander greifende Verbindung aufweisen, die, wenn der zweite Abschnitt sich um die zweite Achse mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht, dazu führt, dass der dritte Abschnitt sich um die dritte Achse mit einer Geschwindigkeit dreht, deren Verhältnis zu der konstanten Geschwindigkeit des zweiten Abschnitts sich ändert, wenn aufeinander folgende Zähne der jeweiligen entsprechenden Sätze miteinander in Eingriff kommen.
Ein weiterer allgemeiner Aspekt betrifft einen weiteren Verbrennungsmotor, der ein Subsystem mit einem beweglichen Element aufweist, das von einem Stellglied bewegt wird, um den Fluss eines mit dem Betrieb des Motor verbundenen Fluids zu steuern. Das Stellglied weist eine Antriebsmaschine und einen Mechanismus auf, der die Antriebsmaschine mit dem beweglichen Element koppelt.
Der Mechanismus umfasst

1) ein erstes Gelenk, das angeordnet ist, um um eine erste Achse von der Antriebsmaschine verschwenkt zu werden,
2) ein zweites Gelenk, das angeordnet ist, um eine zweite Achse verschwenkt zu werden, die parallel zur und von der ersten Achse beabstandet ist,
3) eine Nebenbedingung, die operativ die Gelenke koppelt, so dass das Verschwenken des ersten Gelenks um die erste Achse das Verschwenken des zweiten Gelenks um die zweite Achse mit einem mechanischen Vorteil auslöst, der sich verändert, sobald das erste Gelenk das zweite Gelenk verschwenkt, und
4) eine operative Verbindung von dem zweiten Gelenk zu dem beweglichen Element zum Umwandeln des Verschwenkens des zweiten Gelenks in eine Bewegung des beweglichen Elements.

Noch weitere Aspekte sind in den beigefügten Zeichnungen ersichtlich und in der ausführlichen Beschreibung beschrieben, die hierin angegeben ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die beigefügten Zeichnungen, die hierin eingeschlossen sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß dem besten Ausführungsmodus, der zu diesem Zeitpunkt berücksichtigt ist, und dienen zusammen mit der hierin angegebenen ausführlichen Beschreibung dazu, die verschiedenen Aspekte und Merkmale der Erfindung zu offenbaren.
1 ist eine partielle, perspektivische, teilweise schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors, der ein AGR-Ventil aufweist, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert.
2 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Bestandteilen, des Verbrennungsmotors aus 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht der beiden aus 1 entfernten Bestandteile, die jedoch eine von der in 2 dargestellten Position unterschiedliche Position. zeigen.
4 ist eine Kurvendarstellung, die eine Beziehung zwischen Übersetzungsverhältnis und Position für die in den 2 und 3 dargestellten Bestandteile offenbart.
5 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine Kurvendarstellung, die eine Beziehung des Kipphebelverhältnis als Funktion des Drehwinkels des Arms LM, der in 5 dargestellten Ausführungsform offenbart.
7 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts in noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine Kurvendarstellung, die eine Beziehung des Kipphebelverhältnis als Funktion des Drehwinkels des Arms LM, der in 7 dargestellten Ausführungsform offenbart.
9 ist eine Draufsicht von einem der Bestandteile, die in den 2 und 3 dargestellt sind.
10 ist eine Querschnittansicht, genommen entlang der Linie 10-10 in 9.
11 ist eine Draufsicht des anderen der in den 2 und 3 dargestellten Bestandteile.
12 ist eine Querschnittansicht, genommen entlang der Linie 12-12 in 11.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die 1, 2 und 3 zeigen gemeinsam eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Ventil 20 aufweist, das in einen Verbrennungsmotor 22 als Teil eines AGR-Subsystems 24 eingebaut ist, das eine gesteuerte Rückführung von Motorabgas zu einem Ansaugsystem des Motors bereitstellt.
Das Ventil 20 weist einen Ventilkörper 26 auf, der ein Ventilelement 28 zur Steuerung des Abgasflusses zwischen den Anschlüssen 30, 32 steuert. Das Ventilelement 28 ist schematisch dargestellt, so dass es beliebige Typen von Ventilelementen repräsentieren kann, die zur Steuerung der AGR verwendet werden.
Das Ventil 20 weist einen Antrieb 34, das heißt einen Elektromotor, der eine Ausgangswelle 36 aufweist, die um eine Achse 38 rotiert, wenn der Antrieb durch elektrischen Strom von einer Steuerquelle betrieben wird. Der Antrieb 34 ist bidirektional, was bedeutet, dass er im Uhrzeigersinn rotiert, wenn er für Rotation im Uhrzeigersinn angesteuert wird, und gegen den Uhrzeigersinn, wenn er für die Rotation gegen den Uhrzeigersinn angesteuert wird.
Eine Verzahnung 40, im Beispiel dargestellt als ein Stirnradgetriebe mit konstantem Radius, ist an der Welle 36 befestigt, um sich entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, je nachdem, wie der Antrieb 34 angesteuert wird.
Die Verzahnung 40 bildet ein erstes Bauteil eines Stellgliedantriebs, der das Ventilelement 28 betätigt, um den AGR-Fluss durch das Ventil 20 zu steuern. Ein zweites Bauteil 42 und ein drittes Bauteil 44 des Antriebs sind in den 2 und 3 dargestellt.
Das zweite Bauteil 42 ist ein einzelnes einheitliches Stück, in dem zwei Sätze 46, 48 von Verzahnungen, die ebenfalls stirnradartig dargestellt sind, integral ausgebildet sind. In dem Stellgliedantrieb können die Zähne der Verzahnung 40 als ein erster Satz von Zähnen und die der Sätze 46, 48 jeweils als zweite beziehungsweise dritte Sätze von Zähnen betrachtet werden.
Ein zusätzliches Detail des zweiten Bauteils 42 ist in den 9 und 10 veranschaulicht. Die Zähne des Satzes 46 sind in einem konstanten Radius gemessen bezüglich einer Achse 50 angeordnet. Einige der Zähne des Satzes 48, die an etwa der 10:30 Uhr Position wie in 9 betrachtet beginnen, sind derart angeordnet, dass sie sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, der gemessen bezüglich der Achse 50 sich im Gegenuhrzeigersinn um die Achse 50 wie in 9 betrachtet erhöht. Andere Zähne des Satzes 48, beginnend bei ungefähr 7:30 Uhr, wo der Bogen des sich erhöhenden Radius endet, erstrecken sich aufeinander folgend im Gegenuhrzeigersinn um die Achse 50 entlang eines konstanten Radiusbogens, gemessen bezüglich der Achse 50, der im Wesentlichen denselben Radius aufweist, wie das 7:30 Uhr Ende des Bogens mit sich erhöhendem Radius. Die Zähne mit konstantem Radius gehen weiter bis etwa zur 1:30 Uhr Position.
10 zeigt den Abschnitt des zweiten Bauteils 42, der die Zähne des Satzes 48 enthält, wobei der Abschnitt eine turmartige Form aufweist, gestützt von einem Mittelabschnitt einer basisartigen Formation, die die Zähne des Satzes 46 enthält. Das zweite Bauteil 42 weist des Weiteren ein zentrales Durchgangsloch 54 auf, das koaxial mit der Achse 50 ist, das dafür sorgt, dass das zweite Bauteil 42 zum Drehen auf einer Halterung in dem Ventilkörper 26 um die Achse 50 aufgesetzt wird.
Das zweite Bauteil 42 weist des Weiteren eine Wand 56 auf, die sich von ungefähr der 11:00 Uhr Position bis leicht über die 1:00 Uhr Position hinaus erstreckt, um gegenüber liegende Enden des Satzes 48 zu überbrücken. Die Wand 56 weist Endflächen 58, 60 auf, die entsprechenden Zähnen an gegenüber liegenden Enden des Satzes gegenüber stehen.
Wie in den 2, 3, 11 und 12 dargestellt, ist das dritte Bauteil 44 ein einzelnes einheitliches Stück, bei dem ein Satz 62 von Verzahnungen, ebenfalls stirnradartig dargestellt, integral ausgebildet ist. In dem Stellgliedantrieb können die Zähne des Satzes 62 als ein vierter Satz von Zähnen betrachtet werden.
Einige der Zähne des Satzes 62, beginnend leicht über der 7:00 Uhr Position hinaus, wie in 11 betrachtet, sind derart angeordnet, dass sie sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen Radius beschrieben ist, der, gemessen bezüglich einer Achse 64, im Gegenuhrzeigersinn konstant um die Achse 64 herum ist, bis etwa zur 5:00 Uhr Position. Von diesem Punkt an erstrecken sich die verbleibenden Zähne aufeinander folgend gegen den Uhrzeigersinn um die Achse 64 herum weiter entlang eines Bogens, der durch einen ansteigenden Radiusbogen gemessen bezüglich der Achse 64 beschrieben ist. Im Uhrzeigersinn wird dieser Bogen durch einen abnehmenden Radius beschrieben.
12 zeigt den Abschnitt des dritten Bauteils 44, der die Zähne des Satzes 62 als eine basisartige Form enthält, auf der eine turmartige Form gestützt wird. Das dritte Bauteil 44 weist des Weiteren ein zentrales Durchgangsloch 66 auf, das sich durch beide Formationen kollinear mit der Achse 64 erstreckt, um für das Ineinandergreifen mit einer Welle zu sorgen, die einen Teil oder die gesamte Kopplung zu dem Ventilelement 26 bildet. Wenn das Ventilelement 26 in der Art eines Drehventils zum Drehen eingebaut ist, kann die Welle für eine direkte Kopplung zu dem Ventilelement sorgen. Wenn das Ventilelement 26 zur Lineartranslation wie in einem Zapfenventil (pintle type valve) eingebaut ist, kann die Wellenrotation durch einen geeigneten Mechanismus in eine translatorische Bewegung umgewandelt werden.
1 zeigt die Verzahnung 40 in Eingriff mit den Zähnen des Satzes 46. Die 2 und 3 zeigen die Zähne des Satzes 48 in Eingriff mit den Zähnen des Satzes 62. 2 zeigt die Positionen der Bauteile 42, 44, wenn das Ventilelement 26 geschlossen ist. 3 zeigt die Positionen der Bauteile 42, 44, wenn das Ventilelement 26 maximal offen ist.
Der Mechanismus bietet ein variables Getriebeübersetzungsverhältnis zwischen der Verzahnung 40 und den Zähnen des Satzes 62, das durch eine Kurve 71 definiert ist, die in 4 dargestellt ist, wo das Übersetzungsverhältnis entlang der vertikalen Achse und der relativen Position der Bauteile 42, 44 entlang der horizontalen Achse gemessen wird. Der Punkt 72 auf der Kurve 71 entspricht den Positionen der Bauteile 42, 44, die in 2 dargestellt sind, wenn das Ventilelement 26 geschlossen ist.
Für ein vorgegebenes Drehmoment, das durch den Antrieb 34 bei maximalem Getriebeübersetzungsverhältnis übertragen wird, wird das maximale Drehmoment durch das dritte Bauteil 44 ausgeübt, um das Ventilelement 26 aus der geschlossenen Position zur offenen Position zu betätigen, eine Betätigung, die es erforderlich macht, dass Haftreibung überwunden wird. Sobald das Ventilelement zu öffnen beginnt, nimmt das Übersetzungsverhältnis schrittweise mit zunehmender Ventilelementöffnung ab, so wie die Zähne des Satzes 48, die auf dem Bogen liegen, der durch einen ansteigenden Radius in der Gegenuhrzeigersinn-Richtung relativ zur Achse 50 beschrieben wird, nacheinander in die Zähne des Satzes 62 eingreifen, die auf dem Bogen liegen, der durch einen abnehmenden Radius in Uhrzeigerrichtung relativ zur Achse 64 beschrieben wird. Dies spiegelt sich durch den abnehmenden Abschnitt der Kurve 71 wieder. Wenn die Abschnitte mit konstantem Radius der Sätze 48 und 62 an dem Punkt 74 der Kurve 71 miteinander in Eingriff kommen, sorgt eine fortdauernde Drehung des zweiten Bauteils 42 im Uhrzeigersinn für ein konstantes Übersetzungsverhältnis.
Mit anderen Worten, das Drehen des zweiten Bauteils 42 um die Achse 50 mit einer konstanten Geschwindigkeit führt dazu, dass das dritte Bauteil 44 um die Achse 64 mit einer ansteigenden Geschwindigkeit während des Anfangsbereiches der Öffnung des Ventilelements 26 dreht und danach mit einer konstanten Geschwindigkeit, bis das Ventilelement maximal offen ist.
Die Flächen 58 und 60 der Wand 56 und die Merkmale des dritten Bauteils 44 wirken gegenseitig zusammen, um positive Anschläge für die Bewegung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn der beiden Bauteile 42, 44 zu definieren. Diese Anordnung ermöglicht dem Mechanismus, dass die Verwendung von externen Anschlägen vermieden wird.
Das dritte Bauteil 44 weist eine Wand 68 unmittelbar umfänglich jenseits des letzten Zahns an einem Ende des Satzes 62 auf. Die Wand weist eine Fläche 70 auf, die radial nach außen bezüglich der Achse 64 gerichtet ist. In der in 2 dargestellten Position ist ersichtlich, dass die Flächen 58 und 70 gegeneinander angrenzen, was eine weitere Drehung gegen den Uhrzeigersinn des Bauteils 42 und eine weitere Drehung im Uhrzeigersinn des Bauteils 44 verhindert.
Die Endfläche 60 ist derart geformt, dass sie an die Flanke des letzten Zahns an dem gegenüber liegenden Ende des Satzes 62 angrenzt, wenn die Bauteile 42, 44 sich in der in 3 dargestellten Position befinden. Dies verhindert eine weitere Drehung im Uhrzeigersinn des zweiten Bauteils 42 und eine weitere Drehung gegen den Uhrzeigersinn des dritten Bauteils 44.
Die tatsächliche AGR-Steuerung verstellt basierend auf einer bestimmten Steuerungsstrategie kontinuierlich das Ventilelement zu entsprechenden Positionen innerhalb des Bereichs, zwischen der geschlossenen Position und der maximal offenen Position. Der auf der rechten Seite des Punktes 74 in 4 gelegene Abschnitt beschreibt das schnellste Ansprechverhalten. Ein erhöhtes Drehmoment wird im Bereich des Abschnitts übertragen, der sich zur Linken des Punktes 74 erstreckt.
Eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Ein erster Arm L₁ kann um eine Achse 80 schwenken. Ein zweiter Arm L₂ ist derart angeordnet, dass er um eine Achse 82 herum verschwenken kann. Die beiden Arme sind durch einen Schlitz 84 mit fester Länge in dem zweiten Arm verbunden, der eine Länge aufweist, die radial zur Achse 82 ist, und durch einen Stift 86 oder Roller, der an dem ersten Arm in einem bestimmten radialen Abstand von der Achse 80 befestigt ist und angeordnet ist, in den Schlitz 84 zu passen. 5 zeigt den Stift 86 in der Nähe des radialen äußeren Endes des Schlitzes 84.
Wenn ein Drehmoment T₁ an den Arm L₁ gegen den Uhrzeigersinn um die Achse 80 herum angelegt wird, führt das Drehen des Arms L₁ gegen den Uhrzeigersinn dazu, dass der Stift 86 eine Kraft gegen eine Seite des Schlitzes 84 ausübt. Diese Kraft kann in einen Bestandteil zerlegt werden, der parallel zur Schlitzlänge ist und einen Bestandteil, der senkrecht zur Schlitzlänge ist. Letzterer Bestandteil übt ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf den Arm L₂ aus, das als Drehmoment T₂ im Uhrzeigersinn um die Achse 82 wiedergegeben wird. Da der Stift 86 bezüglich der Länge des Schlitzes 84 nicht festgelegt ist, bewegt sich letzterer radial nach innen innerhalb des Schlitzes, wenn der Arm L₁ sich weiter gegen den Uhrzeigersinndreht, wobei der Arm L₂ sich in dem Prozess im Uhrzeigersinn dreht.
Wenn die Arme verschwenken, führt die feste Verbindung zwischen ihnen dazu, dass sich das Kipphebelverhältnis zwischen dem ersten Arm und dem zweiten Arm verändert. 6 zeigt auf einer dimensionslosen Skala eine Kurve 88, die repräsentativ dafür ist, wie sich das Kipphebelverhältnis als eine Funktion des Drehwinkels des Arms L₁ um die Achse 80 herum ändert.
Durch Koppeln eines Stellglieds (nicht in 5 dargestellt) in einer geeigneten passenden Art und Weise an den Schwenkarm L₁ und durch Koppeln eines beweglichen Elements wie dem Ventilelement 26 an den Arm L₂ in einer geeigneten passenden Art und Weise kann das bewegliche Element mit einem Drehmoment T₂ betätigt werden, das bei einem konstanten Drehmoment T₁ als eine Funktion des Drehwinkels des Arms L₁ um die Achse 80 herum variiert.
Das Drehen des Arms L₁ kann durch Verbinden des Arms mit der Welle eines bidirektional ansteuerbaren Elektromotors an der Achse 80 erreicht werden. Alternativ kann ein verlängerbares Element eines Antriebs mit dem Arm in einem Abstand von der Achse 80 verbunden werden, um eine umlaufende Kraft zur Drehung des Arms auszuüben.
Eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 7 dargestellt. Sie verwendet ebenfalls einen ersten Arm L₁ und einen zweiten Arm L₂. Der Stift oder Roller 86 ist jedoch nicht mit dem ersten Arm fest verbunden. Vielmehr weist der Arm L₁ nun einen Schlitz 90 mit konstanter Breite auf, der eine Länge aufweist, die radial zur Achse 80 ist. Der Stift 86 führt durch beide Schlitze 84 und 90 einen bestimmten radialen Abstand von den Achsen 80 und 82 hindurch. 7 zeigt den Stift 86 nahe an den radialen äußeren Enden beider Schlitze 84, 90.
Die Zwangsverbindung zwischen den beiden Armen, die sie dadurch wirksam macht, dass sie ein variables Kipphebelverhältnis aufweisen, wenn sie verschwenken, weist ein Element auf, das für eine Bahn sorgt, die den Stift 86 auf eine Bewegungsbahn zwingt, die transversal, zum Beispiel senkrecht, zu einer imaginären Linie ist, die durch die Achsen 80 und 82 hindurchführt. Wie in dem Beispiel dargestellt, ist die Bahn ein Schlitz mit konstanter Breite 92 in einem stationären Element 94.
Diese Anordnung dient in der Tat dazu, den Stift 86 radial entlang des Arms L₁ zu bewegen, wenn sich der Arm dreht. Wenn ein Drehmoment T₁ auf den Arm L₁ gegen den Uhrzeigersinn um die Achse 80 angelegt wird, wirkt das Drehen des Armes L₁ gegen den Uhrzeigersinn durch den Stift 86, um eine Kraft gegen eine Seite des Schlitzes 84 auszuüben, wodurch der Arm L₂ in derselben Art und Weise wie in 5 gedreht wird. Wenn die Arme verschwenken, führt die Zwangsverbindung dazu, dass das Kipphebelverhältnis sich zwischen ihnen verändert, jedoch mit einem anderen Verhältnis, als bei der Ausführungsform aus 5, wie durch eine Kurve 96 auf einer dimensionslosen Skala in 8 dargestellt. Das Stellglied und das bewegliche Element können zu dem Antrieb mit variablem Übersetzungsverhältnis aus 7 gekoppelt werden, wie in Verbindung mit 5 beschrieben.

Claims

Verbrennungsmotor mit: einem Subsystem mit einem beweglichen Element, das von einem Antrieb bewegt wird, um den Fluss eines Fluids zu steuern, das mit dem Betrieb des Motors verbunden ist; wobei der Antrieb eine Antriebsmaschine und einen Mechanismus aufweist, der die Antriebsmaschine mit dem beweglichen Element koppelt; wobei der Mechanismus – ein erstes Bauteil, das von der Antriebsmaschine um eine erste Achse (38) gedreht wird und das einen ersten Satz von Verzahnungen (40) aufweist, die in einem konstanten Radius angeordnet sind, um um die erste Achse (38) herum zu drehen, – ein zweites Bauteil (42), das einen zweiten Satz (46) von Verzahnungen aufweist, der in einem konstanten Radius zu einer zweiten Achse (50) angeordnet ist, um die sich das zweite Bauteil (42) dreht und der mit dem ersten Satz von Verzahnungen (40) des ersten Bauteils in Eingriff steht, um zu bewirken, dass das zweite Bauteil (42) um die zweite Achse (50) als Reaktion auf das Drehen des ersten Bauteils (40) um die erste Achse (38) dreht, wobei das zweite Bauteil (42) des Weiteren einen dritten Satz (48) von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, der, sich auf die zweite Achse (50) bezogen, in Umfangsrichtung um die zweite Achse (50) herum erhöht, 3) ein drittes Bauteil (44), das einen vierten Satz (62) von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, der sich auf eine dritte Achse (64) bezogen, um die sich das dritte Bauteil (44) dreht, in Umfangsrichtung mit dem zunehmenden Radius des dritten Satzes (48) von Verzahnungen des zweiten Bauteils (42) abnimmt, und 4) eine operative Verbindung von dem dritten Bauteil (44) zu dem beweglichen Element zum Umwandeln der Drehung des dritten Bauteils (44) in eine Bewegung des beweglichen Elements aufweist, wobei die Zähne des dritten (48) und vierten Satzes (62), die sich entlang der jeweiligen Bögen erstrecken, angeordnet sind, so dass sie eine gegenseitige Ineinandergreif-Verbindung aufweisen, die, wenn sich das zweite Bauteil (42) um die zweite Achse (50) mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht, dazu führt, dass das dritte Bauteil (44) um die dritte Achse (64) mit einer Geschwindigkeit dreht, deren Verhältnis zu der konstanten Geschwindigkeit des zweiten Bauteils (42) sich ändert, sobald aufeinander folgende Zähne dieser Sätze miteinander in Eingriff kommen, wobei der dritte (48) und vierte Satz (62) von Verzahnungen jeweils zusätzliche Zähne aufweisen, die sich entlang der jeweiligen Bögen erstrecken, die durch jeweils konstante Radien relativ zu den entsprechenden zweiten (50) und dritten Achsen (64) beschrieben sind, und die beginnen ineinander zu greifen, wenn die Zähne, die sich entlang den jeweiligen Bögen erstrecken, die durch die veränderlichen Radien beschrieben sind, die sich erhöhen und verringern, aus dem Eingriff herauskommen, wodurch verursacht wird, dass die zweiten (42) und dritten Bauteile (44) aufhören, sich mit einem variablen Geschwindigkeitsdrehverhältnis zu drehen, und sich stattdessen mit einem konstanten Geschwindigkeitsverhältnis drehen, wobei das zweite (42) und dritte Bauteil (44) Anschläge (58, 70) aufweisen, die zusammenwirken, und die in gegenseitiges Aneinandergrenzen kommen, um das Drehen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn sowohl des zweiten (42) als auch des dritten Bauteils (44) zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (44) eine Wand mit einer radialen nach außen zeigenden Fläche (70) an einem Ende des vierten Satzes (62) von Verzahnungen aufweist, das zweite Bauteil (42) eine Wand mit einer Fläche aufweist, die radial nach außen von dem dritten Satz (48) von Verzahnungen an einem Ende des dritten Satzes (48) von Verzahnungen angeordnet ist, und diese Wandflächen derart angeordnet sind, dass sie einen der Anschläge durch gegenseitiges Aneinandergrenzen definieren und dass die Wand des zweiten Bauteils eine weitere Fläche aufweist, die radial nach außen von dem dritten Satz (48) von Verzahnungen an dem anderen Ende des dritten Satzes (48) von Verzahnungen angeordnet ist, und die angeordnet ist, um den anderen Anschlag durch gegenseitiges Aneinandergrenzen mit der Flanke des letzten Zahns an dem anderen Ende des vierten Satzes (62) von Verzahnungen zu definieren, so dass positive Anschläge für die Bewegung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn der Bauteile (42, 44) definiert sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das Subsystem ein AGR-Subsystem und das bewegliche Element das Ventilelement eines AGR-Ventils ist.
Ventil mit: einem beweglichen Ventilelement, das von einem Antrieb bewegt wird, um den Fluss einer Flüssigkeit durch die Ventilanordnung zu steuern; wobei der Antrieb eine Antriebsmaschine und einen Mechanismus aufweist, der die Antriebsmaschine mit dem Ventilelement koppelt; wobei der Mechanismus – ein erstes Bauteil, das um eine erste Achse (38) durch die Antriebsmaschine gedreht wird und das einen ersten Satz von Verzahnungen (40) aufweist, die in einem konstanten Radius angeordnet sind, um um die erste Achse (38) herum zu drehen, – ein zweite Bauteil (42), das einen zweiten Satz (46) von Verzahnungen aufweist, der in einem konstanten Radius zu einer zweiten Achse (50) angeordnet ist, um die sich das zweite Bauteil (42) dreht und der mit dem ersten Satz von Verzahnungen des ersten Bauteils in Eingriff steht, um zu bewirken, dass das zweite Bauteil (42) um die zweite Achse (50) als Reaktion auf das Drehen des ersten Bauteils um die erste Achse (38) dreht, wobei das zweite Bauteil (42) des Weiteren einen dritten Satz (48) von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, der, sich auf die zweite Achse (50) bezogen, in Umfangsrichtung um die zweite Achse (50) herum erhöht, 3) ein dritte Bauteil (44), das einen vierten Satz (62) von Verzahnungen aufweist, der Zähne aufweist, die sich aufeinander folgend entlang eines Bogens erstrecken, der durch einen veränderlichen Radius beschrieben ist, sich auf eine dritte Achse (64) bezogen, um die sich das dritte Bauteil (44) dreht, in Umfangsrichtung mit dem zunehmenden Radius des dritten Satzes (48) von Verzahnungen des zweiten Bauteils (42) abnimmt, und 4) eine operative Verbindung von dem dritten Bauteil (44) zu dem beweglichen Element zum Umwandeln der Drehung des dritten Bauteils (44) in eine Bewegung des beweglichen Elements aufweist, wobei die Zähne des dritten (48) und vierten Satzes (62), die sich entlang der jeweiligen Bögen erstrecken, angeordnet sind, so dass sie eine gegenseitige Ineinandergreif-Verbindung aufweisen, die, wenn sich das zweite Bauteil (42) um die zweiten Achse (50) mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht, dazu führt, dass das dritte Bauteil (44) um die dritte Achse (64) mit einer Geschwindigkeit dreht, deren Verhältnis zu der konstanten Geschwindigkeit des zweiten Bauteils (42) sich ändert, sobald aufeinander folgende Zähne dieser Sätze miteinander in Eingriff kommen, wobei die dritten (48) und vierten Sätze (62) von Verzahnungen jeweils zusätzliche Zähne aufweisen, die sich entlang entsprechender Bögen erstrecken, die durch jeweils konstante Radien relativ zu den entsprechenden zweiten (50) und dritten Achsen (64) beschrieben werden und die ineinander zu greifen beginnen, wenn die Zähne, die sich entlang der jeweiligen Bögen erstrecken, die durch die veränderlichen Radien beschrieben sind, die ansteigen und abnehmen, aus dem Eingriff kommen, wodurch verursacht wird, dass die zweiten (42) und dritten Bauteile (44) aufhören, sich mit einem variablen Geschwindigkeitsverhältnis zu drehen, und sich statt dessen in einem konstanten Geschwindigkeitsverhältnis drehen, wobei das zweite (42) und dritte Bauteil (44) Anschläge (58, 70) aufweisen, die zusammenwirken, und die in gegenseitiges Aneinandergrenzen kommen, um das Drehen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn sowohl des zweiten (42) als auch des dritten Bauteils (44) zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (44) eine Wand mit einer radialen nach außen zeigenden Fläche (70) an einem Ende des vierten Satzes (62) von Verzahnungen aufweist, das zweite Bauteil (42) eine Wand mit einer Fläche aufweist, die radial nach außen von dem dritten Satz (48) von Verzahnungen an einem Ende des dritten Satzes (48) von Verzahnungen angeordnet ist, und diese Wandflächen derart angeordnet sind, dass sie einen der Anschläge durch gegenseitiges Aneinandergrenzen definieren und dass die Wand des zweiten Bauteils eine weitere Fläche aufweist, die radial nach außen von dem dritten Satz (48) von Verzahnungen an dem anderen Ende des dritten Satzes (48) von Verzahnungen angeordnet ist, und die angeordnet ist, um den anderen Anschlag durch gegenseitiges Aneinandergrenzen mit der Flanke des letzten Zahns an dem anderen Ende des vierten Satzes (62) von Verzahnungen zu definieren, so dass positive Anschläge für die Bewegung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn der Bauteile (42, 44) definiert sind.