DE19502669C2 - Einrichtung zur Mengenregelung von Verbrennungsluft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Mengenregelung der Verbrennungsluft für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE 39 01 418 A1 bekannt.

Zur Regelung der einem Verbrennungsmotor zugeführten Luftmenge wird u. a. die Drosselklappe verwendet. Je nach Lastzustand des Motors wird die Drosselklappe mehr oder weniger geöffnet. Um auch im Leerlauf einen optimalen Motorlauf zu erzielen, muß der Öffnungswinkel der fast geschlossenen Drosselklappe sehr genau geregelt werden (Stellwinkelgenauigkeit < 0,1°). Der Trend der technischen Entwicklung geht in Richtung noch höherer Genauigkeiten. Dementsprechend hoch sind die mechanischen Anforderungen an das Drosselklappensystem einschließlich des erforderlichen Drosselklappenwinkelgebers. Zum einen verteuert dies die Herstellung geeigneter Drosselklappensysteme. Zum anderen wird das hochsensible Drosselklappensystem anfälliger gegen Störungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Einrichtung zur Mengenregelung der Verbrennungsluft für einen Verbrennungsmotor dahingehend zu verbessern, daß die Regelbarkeit verbessert wird, wobei die Herstellkosten möglichst niedrig und die Zuverlässigkeit möglichst hoch sein sollen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.

Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß es bekannt ist, mikromechanische Ventile, die für Gase oder auch Flüssigkeiten einsetzbar sind, als ansteuerbare Bauelemente auf einem elektronischen Chip herzustellen. Derartige Mikroventile können in Siliziumtechnologie gefertigt werden. Im wesentlichen werden dabei bewegliche Ventilklappen oder Ventilmembranen verwendet, die mittels Ätztechniken aus dem Silizium herausgearbeitet werden und die z. B. durch elektrostatische Kräfte ausgelenkt werden können und im ausgelenkten Zustand eine Öffnung freigeben, durch die dann ein flüssiges oder gasförmiges Medium fließen kann.

Der Erfindungsgedanke besteht darin, daß in das Absperrorgan (z. B. Drosselklappe), das den freien Durchtrittsquerschnitt des Luftzufuhrkanals bestimmt, mindestens ein elektronischer Chip integriert wird, der eine Parallelschaltung vorzugsweise mehrerer Mikroventile sowie die Ansteuerelektronik zum Öffnen und Schließen der Mikroventile enthält. Dementsprechend weist die Drosselklappe in ihrer Absperrfläche ein oder mehrere Durchtrittsöffnungen auf, die jeweils von einem elektronischen Chip abgedeckt sind. Der eigentlichen Drosselklappe ist also mindestens ein zusätzliches Luftventil (Mikroventil) parallelgeschaltet, das dann zum Einsatz kommt, wenn sehr kleine Änderungen der Luftmenge gesteuert werden sollen, d. h. vor allem im Leerlauf. Bei großem Luftmengenbedarf können die Mikroventile völlig geschlossen bleiben, da dann die Luftmenge allein durch die Drosselklappenstellung in ausreichender Genauigkeit geregelt werden kann. Im Leerlauf ist die Drosselklappe geschlossen oder liegt an einem festen Anschlag an, der lediglich eine Mindestluftmenge passieren läßt. Die Feinregulierung der Luftzufuhr erfolgt über die in die Drosselklappe integrierten Mikroventile. Der Steuerung der Mikroventilöffnung können dieselben Signale zugrundeliegen, wie sie auch für die bisher übliche Leerlaufregelung mit der Drosselklappe selbst Verwendung finden.

Die erfindungsgemäße Mengenregeleinrichtung kann in einer Vielzahl unterschiedlicher Variationen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Absperrorgan, wie bereits erwähnt, im Sinne einer Drosselklappe als schwenkbares Absperrorgan mit mehreren Chips in der Absperrfläche ausgebildet, wobei die Mikroventile jeweils strömungstechnisch parallel zum Absperrorgan geschaltet sind. Es ist aber auch möglich, das Absperrorgan völlig unbeweglich in den Querschnitt des Luftzufuhrkanals einzubauen und es mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen, die von Chips abgedeckt sind, zu versehen. Das bedeutet also, daß die herkömmliche schwenkbare Drosselklappe durch ein großes Array von Mikroventilen ersetzt wird, so daß überhaupt keine mechanisch bewegten Teile im klassischen Sinn mehr eingesetzt werden müssen. Dies hat den Vorteil, daß nicht nur die Menge der Verbrennungsluft, sondern auch die Form der Strömung im Ansaugkanal durch die Öffnung bestimmter Mikroventile oder Mikroventilarray-Bereiche beeinflußt werden kann, um so eine optimale Abstimmung der Luftzuführung zu erreichen.

Zusammen mit den Mikroventilen können Luftmengenmesser auf mikrosystemtechnischer Basis, die an sich bekannt sind, auf dem elektronischen Chip integriert werden. Die Mikroventile selbst können so ausgelegt sein, daß sie je nach Ansteuerung nur eine Offenstellung oder eine Schließstellung annehmen können. Die Luftmenge wird dabei folglich allein durch die Anzahl der geöffneten Mikroventile bestimmt, wenn jedes Mikroventil den gleichen Durchtrittsquerschnitt aufweist. Es ist aber auch möglich, die Mikroventile in ihrer Ansteuerbarkeit so zu gestalten, daß sie beliebige Zwischenstellungen zwischen der Offen- und der Schließstellung einnehmen können.

Bei einem beweglichen Absperrorgan empfiehlt es sich, dieses zur Feinregulierung kleinerer Luftmengen an einem Anschlag in einer definierten Stellung anliegen zu lassen, bei der bei geschlossenen Mikroventilen weniger als die für die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors erforderliche Luftmenge an dem Absperrorgan außen vorbeiströmen kann. Die exakte Differenz zur optimalen Luftmenge wird dann über eine entsprechende Öffnung von Mikroventilen zudosiert.

Anhand der einzigen Figur wird die Erfindung nachfolgend am Beispiel einer schwenkbaren Drosselklappe näher erläutert.

Die Drosselklappe 1 ist drehbar aufgehängt an einer Welle 5, an der üblicherweise noch ein (nicht dargestellter) Drosselklappenwinkelgeber angebracht ist. Die Absperrfläche der Drosselklappe 1 ist mit einer Durchtrittsöffnung versehen, die von einem elektronischen Chip 2 abgedeckt ist, auf dem die (nicht dargestellten) Mikroventile untergebracht sind. Ein weiterer Chip 3 ist auf der Drosselklappe 1 aufgebracht, der die Aufgabe hat, die Ansteuersignale für die einzelnen Mikroventile zu erzeugen. Die Energieversorgung und die Lieferung der zur Generierung der Ansteuersignale benötigten Sensorsignale (z. B. Motordrehzahl) erfolgen über die elektrische Zuleitung 4 zum Chip 3.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Mikroventilen ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:
Die mechanischen Anforderungen an ein Drosselklappensystem werden wesentlich reduziert, weil die Drosselklappenstellung um die Nullage nicht mehr so extrem genau eingestellt werden muß. Der Sensor zur Messung der Drosselklappenstellung muß nicht mehr so genau sein. Beides hat eine deutliche Kostenreduzierung zur Folge. Da zur exakten Steuerung kleinerer Luftmengen nicht mehr die gesamte Drosselklappe bewegt werden muß, kann eine erheblich höhere Dynamik erreicht werden. Durch die Verwendung vieler Mikroventile mit definiertem Durchlaßvolumen bei voll geöffnetem Ventil ist eine besonders einfache digitale Ansteuerung möglich, indem lediglich für die einzelnen Mikroventile jeweils ein Bit bereitgestellt werden muß, das durch seinen Wert aussagt, ob das jeweilige Mikroventil offen oder geschlossen sein soll (Verwendung von nur zwei Ventilstellungen). Es ist aber auch möglich, die Mikroventile derart anzusteuern, daß ihr Öffnungsgrad kontinuierlich variierbar ist zwischen "ganz geschlossen" und "vollständig geöffnet". Ein Verbrennungsmotor, der mit einer erfindungsgemäßen Luftmengenregeleinrichtung versehen ist, zeichnet sich durch optimale Leerlaufeigenschaften aus.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Mengenregelung der Zufuhr von Verbrennungsluft in einem Luftzufuhrkanal, der zu mindestens einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors führt, wobei die Einrichtung mit einem einstellbaren Absperrorgan die Größe des freien Durchtrittsquerschnitts des Luftzufuhrkanals zwischen einer Minimal- und einer Maximalöffnung einstellbar macht, wobei das Absperrorgan (1) mit mindestens einer Durchtrittsöffnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung von einem elektronischen Chip (2) mit mindestens einem integrierten Mikroventil, dessen Stellung elektronisch ansteuerbar ist, abgedeckt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (1) im Luftzufuhrkanal beweglich angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (1) schwenkbar als Drosselklappe ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan(i) mit einer Vielzahl von durch Chips (2) abgedeckten Durchtrittsöffnungen und strömungstechnisch parallel angeordneten Mikroventilen versehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (1) feststehend im Luftzufuhrkanal angeordnet und mit einer Vielzahl von durch Chips (2) abgedeckten Durchtrittsöffnungen und strömungstechnisch parallel angeordneten Mikroventilen versehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroventile je nach Ansteuerung nur entweder eine Schließstellung oder eine Offenstellung einnehmen und die Luftmenge durch die Anzahl der geöffneten Mikroventile bestimmt wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroventile in der Weise ansteuerbar sind, daß sie beliebige Zwischenstellungen zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung einnehmen können.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4 oder 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (1) zur Feinregulierung kleiner Luftmengen an einem Anschlag anliegt, der so angeordnet ist, daß bei geschlossenen Mikroventilen weniger als die für die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors erforderliche Luftmenge an dem Absperrorgan (1) vorbeiströmen kann.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroventile auf dem Absperrorgan (1) gezielt mit einer von einer elektronischen Motorsteuerung in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors jeweils vorgebenen Verteilung der geöffneten Mikroventile über dem Querschnitt des Luftzufuhrkanals ansteuerbar sind, um die Ausbildungsform der Luftströmung hinter dem Absperrorgan (1) zur Optimierung der Verbrennung zu beeinflussen.