带集成的电动气动位置调节的气动促动装置.pdf

本发明涉及一种用于控制内燃机(90)机组(94)的电动气动调节装置(10)以及一种用于调节调节器的方法。电动气动调节装置(10)包括外壳(12)，在其中活动地容纳促动器(16，76)，促动器空心地构成并且包括充气通道(24)和排气通道(26)。对促动器(16，76)附设控制滑阀(48)，它由磁线圈(60)控制并且根据促动器(16，76)的相对位置使由薄膜(44)构成的外壳(12)的压力腔(68)充气、排气或封闭。

1.  一种用于控制内燃机(90)的机组(94)的电动气动调节装置(10)，其中，该电动气动调节装置(10)包括外壳(12)，在该外壳(12)中活动地容纳有促动器(16，76)，其特征在于，所述促动器(16，76)附设有控制滑阀(48)，所述控制滑阀(48)根据所述促动器(16，76)的相对位置使所述外壳(12)的压力腔(38，68)充气、排气或封闭。

2.  如权利要求1所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述促动器空心地构成，并且包括充气通道(24)和排气通道(26)。

3.  如权利要求1所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述控制滑阀(48)通过支承在促动器(16，76)的止挡件(80，84)上的弹簧(78)而预紧，或者包围所述控制滑阀(48)的调节滑阀(28)通过弹簧(36)预紧。

4.  如权利要求3所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述控制滑阀(48)由磁线圈(60)包围，所述磁线圈(60)根据施加在其上的PWM信号的占空比产生反作用于弹簧(36，78)的力的作用力。

5.  如权利要求1所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述控制滑阀(48)以带通道(50，52)的块体形式构成，所述通道(50，52)根据促动器(16)的轴向运动通过阀门(54，56)打开或关闭。

6.  如权利要求1所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述促动器(76)设计成空心控制活塞，它通过塞堵件(82)分成充气通道(24)和排气通道(26)，所述排气通道(26)通过外壳(12)中的开孔(40)以由负压源提供的压力水平p_u加载。

7.  如权利要求1所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述控制滑阀(48)套状地构成，并且能够在所述促动器(16，76)的周围上覆盖着所述通道(50，52)而轴向地移动。

8.  如权利要求1所述的电动气动调节装置(10)，其特征在于，所述促动器(16，76)通过所述外壳(12)中的薄膜盘(42)和套管或者通过设置在所述外壳(12)里面的轴承套(86，11)引导。

9.  一种用于调节电动气动调节装置(10)的促动器(16，76)的位置的方法，该调节器具有线圈(60)和控制滑阀(48)，该方法具有下面的方法步骤：
a)把PWM信号施加在所述线圈(60)上并且产生作用于所述控制滑阀(48)上的磁力，
b)使所述控制滑阀(48)的移动反作用于加载在所述控制滑阀上的压簧(78)或加载在包围所述控制滑阀(48)的调节滑阀(28)上的调节弹簧(36)的作用，
c)在压力腔(68)里面根据所述促动器(16，76)中的通道(50，52)的打开度产生压力升或压力降，并
d)通过作用于所述控制滑阀(48)上的弹簧力与作用于所述控制滑阀(48)上的磁力之间的力平衡产生并保持所述促动器(16，76)的限定的位置。

10.  如权利要求1至8中任一项所述的电动气动调节装置(10)的用法，用于操控内燃机(90)的增压装置(94)的废气门调节器(110)。

带集成的电动气动位置调节的气动促动装置
背景技术
目前在汽车领域应用中在汽车致动器范围内使用气动致动器。气动致动器主要以压力罐的形式构成，它们不仅通过过压而且通过负压控制。压力罐一般不是电子控制的并且这样构成，使在压力罐中存在的压力、例如负载压力直接作用于弹簧或膜片上。在内燃机的增压装置上、尤其是在废气涡轮增压机上安装的压力罐促动器的调整位置通过电子途径由此监控，通过使节拍阀通过PWM信号由负载压力调节器控制。受控的节拍阀调节用于与负载压力理论值或负载压力实际值比较所需的压力罐压力或所需的压力罐促动器的位置。节拍阀不仅可以位于外部的例如到压力罐的管道里面或者也可以组合到压力罐里面。在此在关于压力罐促动器位置的状态调节器方面需要非常费事的电子调节器。尤其是在自动点火的内燃机中、对它例如附设增压装置，它可以由通过可调整的涡轮机形状设计的废气涡轮增压机实现，但是由于废气回输与负载压力调节器之间的耦联越来越必需调节压力罐促动器的位置。为了改变这一点，考虑相对成本有利的具有位置回输和电子位置调节的电调节器，它一方面可以直接附属于具有可调整的涡轮增压形状的增压装置或者组合到内燃机的发动机控制器里面。
由EP 0 976 919 A2已知一种增压装置，它作为废气涡轮增压器使用并且包括废气门。为了废气涡轮增压器上的负载压力调节使用调整杆，它具有第一杆段和第二杆段。调整杆的两个杆段可旋转地相互耦联并且能够相向旋转。通过调整杆操纵杠杆臂，它本身与废气涡轮增压器的废气门耦联。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于，提供一种气动调节器，它作为详细的、代表理论位置的信号的函数在理论/实际比较的范围内气动地调节致动器的位置。
按照本发明建议一种自调节的气动调节器，它具有活塞杆形的促动器，它与薄膜共同作用，其中促动器的位置可以精确地以电动气动途径平衡。通过这个解决方案能够避免昂贵和温度敏感的电路或传感器。此外按照本发明建议的解决方案的特征是减少空气消耗。在活塞杆形构成的促动器上所需的用于充气和排气的横截面可以同时关闭，由此可以保持实际调节的罐压力和活塞杆形构成的促动器的位置。下文中罐压力指的是在气动调节器的负压区中存在的压力。
所建议的气动调节器的调节特性能够通过用于充气和排气的横截面的适配的开孔形状优化。因此能够例如递进地通过充气或排气阀的行程构成横截面的形状，由此在小的理论/实际偏差范围中弱化修正并且在较大的理论/实际偏差范围中实现强烈的修正。由此对于大的偏差可以实现快速调整运动，而不存在在更小偏差范围中产生不稳定性的危险，例如气动调节器围绕理论位置的振荡。
在气动调节器的第一实施例变型中使调节器包括收缩在控制滑阀里面的杆状促动器，它在内部空心地构成。例如热装在杆状促动器上的控制滑阀分别包括充气阀和排气阀。不仅充气阀而且排气阀都通过通道与杆状促动器的内部空腔连接。不仅充气阀而且排气阀都弹性加载地构成并且在平衡的理论/实际位置例如通过球形构成的关闭体使两个阀门关闭。一旦由于外部干扰参数的作用产生杆状构成的促动器位置的变化，使两个阀门中的一个阀门连续地这样长时间地打开并由此修正气动调节器内部的压力水平。在达到这样平衡的杆状促动器的位置时两个阀门重新关闭。在控制滑阀的圆周上容纳例如线圈形构成的电磁铁，该电磁铁作为PWM控制信号的附加占空比的函数使反作用于调节弹簧力的磁力施加在包围控制滑阀的调节滑阀上，由此由于调节滑阀的惯性达到确定的有效位置，它对应于力平衡。有效位置定义纯气动作用的气动调节器的位置理论值并且导致控制滑阀相对于包围控制滑阀的调节滑阀的平衡运动，由此定义杆状构成的促动器的主位置。
在一个可选择的实施例中也可以使控制滑阀由扁平结构的、包围杆状构成的促动器的套构成。套状的控制滑阀覆盖两个相邻的设置在杆状构成的控制滑阀上的开孔，其中用于充气而另用于排气。套状构成的控制滑阀包括自由切口，由此能够实现两个相邻的、在杆状促动器的外壳上构成的控制滑阀作为通道使用的孔。套状构成的控制滑阀在径向上看去由磁线圈包围并且通过支承在外壳或轴承套上的压簧预紧。在对应于作用于杆状促动器上的负荷轴向运动时释放在杆状构成促动器的外壳中的两个开孔中的开孔，由此根据运动方向、即在增加或减小在杆状构成的促动器上作用的负荷时实现气动调节器的负压室的充气或排气。
在本发明的第二实施例中建议的解决方案也通过线圈形构成的电磁铁作为PWM信号的附加占空比函数传递反作用于调节弹簧力的磁力到控制滑阀上，由此由于控制滑阀的惯性在控制滑阀上建立确定的有效位置、即力平衡。对应于力平衡的有效位置定义理论值。
附图说明
下面借助于附图详细描述本发明。附图中：
图1借助于弹性加载的密封关闭的阀门示出按照本发明的电动气动调节器的工作原理，
图2示出按照本发明建议的电动气动调节器的实施例变型，
图3示出按照本发明的电动气动调节器在内燃机上用于控制增压装置废气门的使用方法。
具体实施方式
按照图1的视图给出以弹性加载的密封关闭的阀门为基础的按照本发明建议的电动气动调节器的第一实施例。
电动气动调节器10包括外壳12，它通过具有孔46的外壳盖14封闭。外壳12由作为促动器16的薄膜杆透穿，它包括第一薄膜杆部分18和第二薄膜杆部分20。在第一薄膜杆18上具有用于与大气压力平衡的孔22。第一薄膜杆18由充气通道24透穿，第二薄膜杆20同样空心地构成并且包括排气通道26。
在按照图1的视图中两段式构成的薄膜杆16的引导一方面通过薄膜盘42实现，它可移动地设置在外壳12的空腔38内部并且通过张紧簧64加载。薄膜盘42将弹簧64的作用力传递到与第一薄膜杆18连接的薄膜44上，在薄膜上放置薄膜盘42。另一方面两段式构成的薄膜杆在外壳12内部的引导通过在外壳12中构成的套管保证。在外壳12中构成的套管的内部部件通过在按照图1的视图中未示出的密封、例如O形环向着活动设置的、两段式构成的薄膜杆密封。在按照图1示出的实施例中两段式构成的薄膜杆的圆周上具有调节滑阀28。该调节滑阀28包括第一调节滑阀部分32和第二调节滑阀部分34，它们在接合位置30上相互连接。相对于两段式构成的薄膜杆移动的调节滑阀28通过弹簧36加载，该弹簧在外壳2中套管之上支承于其上。调节滑阀28包围控制滑阀48，在该滑阀本身中构成用于充气的第一阀门54和用于排气的第二阀门56。第一和第二阀门弹性加载地构成并且在平衡的理论/实际位置例如通过球形构成的关闭体密封地封闭。在第二调节滑阀34上支承第一阀门54的加载球形构成的关闭体的压簧。用于排气通道26排气的第二阀门56的球形构成的关闭体包括台阶58，它通过球形构成的关闭体加载。在调节滑阀上固定的凸起打开和关闭弹性加载的第二阀门56。
一旦在图1所示的实施例中由于外部干扰参数的影响出现两段式构成的薄膜杆16的位置变化，则在轴向可移动设置的调节滑阀28的位置保持不变时两个阀门54或56中的阀门这样长时间地打开并由此符号正确地修正罐压力，直到两个阀门54以及56在达到重新平衡的理论/实际位置以后关闭。
通过包围调节滑阀28的磁线圈60作为施加在这个磁线圈上的PWM信号(通常几百赫兹)的占空比的函数施加反作用于弹簧36力的磁力到调节滑阀28上，由此由于调节滑阀28的惯性建立在调节滑阀28上在施加在调节滑阀28上的磁力与弹簧36力和作用于阀门54或56上的弹性力之间的力平衡。出于完整性要指出，磁线圈60由套66包围。
对应于调节滑阀28力平衡的调节滑阀有效位置定义纯气动作用的位置调节器的位置理论值并导致调节滑阀28与控制滑阀48之间的补偿运动，由此定义在按照图1的实施例中两段式构成的薄膜杆的位置。作为充气通道24充气的第一阀门54通过在控制滑阀48中构成的通道50与充气通道24处于连接，而作为排气通道26排气的第二阀门56通过同样在控制滑阀48中构成的通道52与排气通道26连接。排气通道26还通过外壳12中的孔40与压力水平处于连接，在图1中通过p_u表示。以p_u表示负压，它位于电动气动调节器10的开孔40上并且它是负压泵的源压力。压力p_u位于<0.25bar的数量级。
通过标记符号62表示第一调节滑阀部分32中的溢流孔，它能够实现空腔38与通过控制滑阀48与调节滑阀28内部之间的空间构成的空腔之间的压力补偿。空腔38和通过控制滑阀48与调节滑阀28内部之间的空间构成的空腔形成外壳12的压力室，在其中可以建立负压p_u与大气压力P_atm之间的压力。在薄膜44与外壳盖14之间的空间形成腔室，它通过孔46以大气压P_atm加载。
按照图2的视图示出按照本发明建议的气动调节器的另一实施例变型，具有减少的空气消耗。
在图2中以相对于其对称轴的半截面图所示的电动气动调节器10包括外壳12，在其内部薄膜44夹紧在分隔接缝上。在外壳12上构成压力腔68，在其中存在与P_atm不同的压力。压力腔68通过薄膜44与外壳12的其余内室分开。下面的描述涉及压力腔68，在其中存在负压。但是压力腔68也可以以超过P_atm的压力加载。在压力腔68中的压力通过p表示。薄膜44一方面通过弹簧盘70加载，它也通过薄膜弹簧72预紧。薄膜弹簧72支承在外壳12的外壳半体的空隙上。另一方面在外壳12中夹紧的薄膜44通过薄膜盘42加载。薄膜盘42通过两个卡圈84固定在按照图2的实施例变型中一体式构成的、被视为促动器的控制活塞76上，该控制活塞基本对应于在按照图1的实施例中两段式构成的薄膜杆16。
通过两个卡圈84定义弹簧盘70以及薄膜盘42相对于一体式构成的控制活塞76的轴向位置。弹簧78支承在套状构成的控制滑阀48上，它在按照图2所示的附图中在那里所示的轴向位置封闭在一体式构成的控制活塞48外壳中的两个孔50，52。控制滑阀48在轴向可以相对于一体式构成的控制活塞76运动，它套状地构成并且包括指向控制活塞76的外壳面的自由切口49。
在按照图2的视图中控制滑阀48与在图1中所示的实施例不同简化地由套构成。此外在按照图1的实施例中所示的通道50，52在图2所示的实施例变型中由控制活塞76外壳中的孔50，52构成。在套状构成的控制滑阀48以上是线圈60，它嵌入到外壳12里面。
一体式构成的控制活塞76在轴承套86，11里面可移动地引导，轴承套本身加入到外壳12里面。在轴承套11与外壳12之间可以设置密封件80。与图1中的实施例类似地空心构成的控制活塞76包括球体74，通过它例如可以操纵内燃机90的增压装置94的废气门108(参照图3)。
在套状构成的控制滑阀48位于在按照图2所示的实施例中的位置里面自由切口49覆盖第二通道52，但是还没有延伸超过一体式控制活塞76壁体中的第一孔50。在控制活塞76壁体中的通道50，52之间具有塞堵82，它使控制活塞76的空心空间分成充气通道24和排气通道26。压力腔68通过孔22与排气通道26处于连接。在外壳12的孔40上存在与大气压力p_atm不同的压力p_u，它通过负压源产生。在电动气动调节器10的外壳12内室的那个不属于压力腔68的部分中存在大气压p_atm。在控制滑阀48在图2中完全向右运动的位置充气通道24通过通道50与外壳12中的大气压连接。
在按照图2的视图中套状构成的控制滑阀48位于覆盖第二通道52的位置。在这个也称为中性位置的平衡位置两个通道50，52相互分开，由此不改变压力并由此保持一体式构成的控制活塞76的位置。自由切口49只覆盖第一通道50，但是不覆盖第二通道52。
在外部干扰力作用时，例如在球体74上作用的增加负荷使一体式构成的控制活塞76向右移动。由于一体式构成的控制活塞76向右的移动运动使表示通道的开孔50，52与套状构成的控制滑阀28内表面上的作用切口49连接，由此实现压力腔68中的排气(压力降)并且使控制活塞76的平衡运动一直导入到中性位置。
在负荷减小、即控制活塞76向右移动时用于充气的横截面50打开，由此使压力腔68内部的压力这样长时间地提高并且使薄膜弹簧72更强烈地卸载，直到再达到理论位置。通过通道50和52可以实现电动气动调节器10压力腔68中的压力降、压力升以及保持压力水平。而使用排气的第二孔52、即压力腔68中的压力降时，由控制滑阀48覆盖的、通过自由切口49与第二通道52连接的第一通道50不仅用作充气而且用作排气。如果控制活塞76对于增加的作用于球体74上的负荷向右移动，则通过控制滑阀48内表面上的自由切口49产生第一通道50与第二通道52之间的连接。
与转换阀、例如电磁阀相比所述的电动气动调节器10按照图1和2所示的实施例变型显示出明显减少的空气消耗。减少空气消耗使得用于充气和排气的横截面50，52可以同时关闭，由此可以保持实际调节的罐压力和或者两段式构成的薄膜杆16或一体式构成的控制活塞76的位置。在图1所示的气动调节器的实施例变型的特点在于阀门54或56上的密封性和最小的空气消耗。在图2所示的变型中给出的是最小的缝隙损失。在两个结合图1和图2所述的按照本发明建议的电动气动调节器10的实施例变型中也可以通过优化开孔形状、即通过优化在按照图1的实施例中的通道50，52，或通过优化在一体式构成的控制活塞外壳面中的开孔50，52的配置能够优化调节器特性。因此可以使通道50，52或开孔50，52的横截面变化通过阀门54，56的开孔行程递进地构成，由此在小的理论/实际偏差范围中较弱地修正并且在较大的偏差范围中实现较强的修正。由此一方面对于大的偏差快速反应，而在小的偏差范围中调节不稳定性，例如围绕其理论位置的控制滑阀48的振荡。
优选通过线圈60的电感测量实现用于诊断和监控控制滑阀48位置的行程检测。为此使用浸入电枢原理(Tauchankerprinzip)。例如由铁磁材料制成的控制滑阀48的运动影响线圈60的线圈电感变化，它也可以检测作为调节滑阀、即或者两段式构成的薄膜杆16或者在按照图2的实施例情况下一体式构成的控制活塞76的实际调整位置的测量参数。
按照图3的视图以示意图示出上述结合图1和2所述气动调节器的安装状况。
按照图3的视图可以看出，对内燃机90通过抽吸管92输送新鲜空气。对内燃机90附设增压装置94，它具有设置在抽吸管92里面的压缩机部分和后置于排气弯管106的涡轮机部分。对内燃机在入口侧前置节流装置96。对该节流装置96也后置进入阀98，通过它使抽吸的且预压缩的新鲜空气进入到内燃机90的燃烧室102。废气通过打开的排气阀100离开内燃机90的燃烧室102。燃烧室102分别通过活塞104限定；燃烧过的废气在排出循环中从燃烧室102排到废气弯管106，在其内部具有由涡轮增压器构成的增压装置94的压缩机部分。对优选由涡轮增压器构成的增压装置94的涡轮机部分附设废气门108。通过废气门108可以使废气分流绕流增压装94的涡轮机部分。废气门108通过废气门调节器110控制，它又通过如上述结合图1和2所述的电动气动调节器10控制。出于完整性要指出，对增压装置94的涡轮机部分在内燃机90的排气循环中后置至少一个废气催化器112。
按照本发明建议的电动气动调节器10可以用于实现持续的调整任务，它们在内燃机机组上是必需的，因此例如用于废气回输阀或变化的抽吸管调整。在本实施例中废气门108的电动气动调节器10按照图3中的视图示例性地解释。