DE3005143A1

DE3005143A1 - Einrichtung zum steuern des luftdurchsatzes im luftansaugrohr einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3005143A1
Application number: DE19803005143
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Kienzel; Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang Maisch; Werner 7141 Schwieberdingen Paschke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-02-12
Filing date: 1980-02-12
Publication date: 1981-08-20

Description

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3I.I.I98O Mtt/Kö

ROBERT BOSCH GMBH₅ 7OOO Stuttgart 1

Einrichtung zum Steuern des Luftdurchsatzes im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Bei Brennkraftmaschinen ist es üblich, der Drosselklappe einen Bypaß zuzuordnen, damit z.B. auch bei geschlossener Drosselklappe ein Leerlaufbetrieb noch aufrechterhalten werden kann. Bekanntgeworden sind sowohl speziell ausgebildete Bypaßkanäle, die den Ansaugluftstrom um die Drosselklappe herumführen, als auch in ihrer öffnung steuerbare Drosselklappenaussparungen. Zweck der Bypaß-Öffnungs· Steuerungen ist es, die angesaugte Luftmenge bei geschlossener Drosselklappe z.B. temperaturabhängig zu steuern, oder jedoch eine Leerlaufdrehzahlregelung vorzusehen, damit unterschiedliche Lastzustände der Brennkraftmaschine im Leerlauffall ohne Einfluß auf die Leerlaufdrehzahl bleiben.

Eine bekannte Bypaßsteuerung sieht vor, eine als Bypaß wirkende öffnung in der Drosselklappe durch ein/Bimetall zu steuern. Aufgrund der zwangsläufig gegebenen Trägheit von Bimetallstreifen hat sich die bekannte Bypaßsteuerung zur Leerlaufdrehzahlregelung als nicht geeignet erwiesen,

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da es gerade bei Leerlaufdrehzahlregelungen auf äußerste Reaktionsschnelligkeit ankommt. Dies umso mehr, je niedertouriger eine Brennkraftmaschine im Leerlauffall arbeiten soll, denn dann besteht die Gefahr, daß bei plötzlichen Lasterhöhungen die Brennkraftmaschine das entsprechende Moment nicht mehr aufbringen kann und stehenbleibt.

Im Hinblick auf die geforderte Schnelligkeit sind auch elektromagnetische Systeme mit impulsdauermodulierten Ansteuersignalen bekannt. Dies erfordert jedoch einer, verhältnismäßig hohen apparativen Aufwand, weshalb die Lösungen noch keinen Eingang in die Serienfertigung bei Kraftfahrzeugen gefunden haben.

Es ist daher eine der Aufgaben der Erfindung, eine relativ einfache, reaktionsschnelle und gleichzeitig kostengünstige Bypaßsteuerung für Brennkraftmaschinen zu schaffen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs wird der gestellten Aufgabe voll gerecht. Wollte man bei der bekannten Einrichtung eine schnelle Reaktion erreichen, dann war ein sehr hohes Temperaturniveau erforderlich, um auch möglichst rasch die im Hinblick auf die schnelle Reaktion erforderliche Abkühlung des Bimetallstreifens zu erreichen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung hingegen bedarf es aufgrund des gegensinnigen Betriebs der beiden Bimetallstreifen keiner sehr hohen Betriebstemperatur, wodurch die Einrichtung eine geringere Heizleistungsaufnahme erfordert und damit die Anlage insgesamt auch störungssicherer wird.

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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine prinzipielle Anordnung eines Drosselklappenbypasses, Figur 2 ein Diagramm der Heizleistung aufgetragen über der Drehzahl bei einem Dreipunktregler, Figur 3 ein entsprechendes Diagramm bei einem anderen Regler mit getakteter Ansteuerung, Figur h ein erstes Ausführungsbeispiel und Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bypaßsteueranordnung, Figur 6 ein Blockschaltbild einer Steueranordnung zur Realisierung des Heizleistungsdiagramms von Figur 2, Figur 7 eine Einzelheit des Blockschaltbilds von Figur 6 und schließlich Figur 8 ein weiteres Blockschaltbild sowie eine Wahrheitstabelle bezüglich des Gegenstandes von Figur 6.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Ausführungsbeispiele betreffen Bypaßanordnungen und ihre Querschnittssteuerung bei Brennkraftmaschinen.

In Figur 1 ist mit 10 ein Luftansaugrohr bezeichnet, in dem eine Drosselklappe 11 angeordnet ist. Dieser Drosselklappe 11 ist ein Bypaßkanal 12 mit einer steuerbaren Verschlußeinrichtung 13 zugeordnet. Sie wird mittels zweier Bimetallstreifen 14 und 15 ausgehend von einer Mittelstellung auf- oder zugesteuert. Dabei findet diese

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Steuerung nur während des Leerlauffalles, d.h. bei geschlossener Drosselklappe statt, da der Luftstrom durch den Bypaß beim Normalbetrieb der Brennkraftmaschine vernachlässigbar ist.

Zweckmäßigerweise wird das z.B. als Schieber ausgebildete Verschlußelement des Bypaßkanals beim Normalbetrieb der Brennkraftmaschine in einer mittleren Stellung gehalten, damit die Regelung bei einem mehr oder weniger abrupten übergang in den Leerlaufbetrieb möglichst schnell einsetzen kann.

Figur 2 zeigt ein Diagramm der Heizleistung für die einzelnen Bimetallstreifen aufgetragen über der Drehzahl. Wesentlich sind hierbei fünf Drehzahlwerte, wobei der mittlere Wert die für die betreffende Brennkraftmaschine ideale Leerlaufdrehzahl markiert. Beidseitig zu dieser Leerlaufdrehzahl befinden sich Einsetzdrehzahlen nl und n2 für die Drehzahlregelung und schließlich jeweils ein minimaler und ein maximaler Drehzahlwert. Dabei markiert der Drehzahlbereich zwischen η. und nl einen Offensteuerbereich für den wirksamen Bypaßquerschnitt und entsprechend der Drehzahlbereich zwischen n2 und η einen Schließbereich. Grundgedanke hierbei ist, daß die Bypaßregelung im Leerlauffall erst ab einer bestimmten Drehzahlabweichung von der idealen Leerlaufdrehzahl nLL auftreten soll. Das Ausmaß der Regelung wird nach überschreiten der Grenzwerte nl und n2 von einem eigenständigen Regelkreis bestimmt, der z.B. bei Verwendung der angeführten Bimetallstreifen ein Integratorverhalten zeigt.

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Das innerhalb der Bereiche konstante Heizleistungssignal kann zusätzlich z.B. drehzahlabhängig gesteuert werden, um die Reaktionszeit zusätzlich zu verringern.

In Figur 3 ist im Diagramm a ebenfalls eine Heizleistung über der Drehzahl aufgetragen, wobei hier jedoch kein Dreipunktregler verwendet wird, sondern die jeweiligen Bimetallstreifen werden getaktet angesteuert. Erkennbar ist ein erster Linienzug I, der für die Heizleistung eines ersten Bimetallstreifens steht und ausgehend von einem hohen Wert bei der Drehzahl nl linear auf Null bei der Drehzahl n2 abfällt und dann bei η wieder auf P /2 ansteigt. Eine zweite, gestrichelt gezeichnete Kurve II steigt ab dem Drehzahlwert nl linear bis zum Maximalwert bei der Drehzahl n2 an und fällt dann bei η auf P /2

max max

Figur 3a verdeutlicht das Gleichgewicht der einzelnen Heizleistungen im idealen Leerlaufpunkt bei der Drehzahl nLL. Je nach Abweichung von diesem Wert wird die Heizleistung des einen Bimetalls verringert und die des anderen erhöht, so daß im Gegensatz zum Diagramm nach Figur 2 ein Toleranzbereich im Sinne einer nicht beeinflußten Drehzahlbreite auftritt.

Figur 3b zeigt das elektrische Ansteuersignal für die Heizwicklung eines Bimetallstreifens zur Realisierung der Kurve II von Figur 3a. Nach dieser Darstellung ist das Heizleistungssignal pulslängenmoduliert und besitzt

im Drehzahlbereich zwischen n2 und η einen Dauerstrichmax

betrieb.

Die Bereitstellung des aus Figur 3b ersichtlichen elek-

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trischen Signals bereitet einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet keine Probleme, da lediglich die drei Drehzahlschwellwerte zu erfassen sind und die Pulslängenmodulation im Bereich der Drehzahlwerte nl und n2 z.B. mittels einer Überlagerung von Sägezahn- und steuerbarem Gleichspannungssignal erreichbar ist.

Figur Jj zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der elektromechanischen Bypaßsteuereinrichtung. Mit 20 ist eine mit einer Bohrung 21 versehene Scheibe bezeichnet, die im Bypaßkanal 12 des Gegenstandes von Figur 1 koaxial angeordnet sein soll. In der gleichen Ebene wie die Scheibe 20 liegt eine zweite und ortsfeste Scheibe 22 mit einer Bohrung 23. Dabei sind die beiden Bohrungen 21 und 23 derart angeordnet, daß sie zur Deckung gebracht werden können. Zwei Bimetallstreifen 25 und 26 sind einseitig an einem Spannkopf 27 befestigt. Dieser Spannkopf ist um eine Achse 28 drehbar gelagert. Während der Bimetallstreifen 25 mit seinem dem Spannkopf 27 abgewandten Ende an einem ortsfesten Anschlag 29 anliegt, steht das entsprechende Ende des zweiten Bimetallstreifens 26 mit einem Anschlag 30 in Verbindung, der außermittig auf der drehbaren Scheibe 20 angeordnet ist. Eine Zugfeder 31 sorgt für einen fortlaufenden Kontakt zwischen dem Bimetallstreifen 26 und dem Anschlag 30.

Aufgrund des drehbar gelagerten Spannkopfes 27 können die beiden-Bimetallstreifen 25 und 26 bei ihrer Erwärmung eine Schwenkbewegung ausführen und somit die Scheibe 20 gegenüber der Scheibe 22 axial verdrehen. Infoge dessen ergibt sich ein unterschiedlicher Überlappungsbereich der beiden Bohrungen 21 und 23 und somit ein unterschiedlicher Luftdurchsatz durch den Bypaßkanal.

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Wesentlich ist nun, daß die beiden Bimetallstreifen 25
und 26 eine unterschiedliche Erwärmung erfahren und
bezüglich der Bewegungsrichtung gegensinnig; ;wirken.
Dies bedeutet dann eine Öffnungsbewegung für den Bypaßkanal beim Beaufschlagen des einen Bimetalls mit Heizleistung und eine Schließbewegung beim Heizen des anderen Bimetalls.

Schematisch verdeutlicht ist dieser Vorgang in der Darstellung von Figur 5· Dort ist eine mit einer Bohrung versehenen Scheibe 33 auf einer ersten Achse 34 drehbar gelagert und ein Kreissegment 35 ermöglicht bei Drehung um eine Achse 36 ein selbständiges Abdecken der Bohrung 32. Selbstverständlich können die beiden Achsen 34 und auch koaxial angeordnet sein. Zwei schematisch dargestellte Bimetallstreifen 37 und 38 wirken über einen Anschlag 39 und 40 auf die gelochte Scheibe 33 sowie auf
das Kreissegment 35 ein, so daß sozusagen Lochscheibe
und Lochblende unabhängig voneinander eine Bewegung
ausführen können. Die Grundstellung der Anordnung wird
dabei zweckmäßigerweise so gewählt, daß bei der gewünschten Leerlaufdrehzahl die Bohrung 32 gerade· zur Hälfte vom Kreissegment 35 abgedeckt ist, so daß mit Beginn der
Regelung der Luftdurchsatz sofort erhöht oder verringert werden kann.

Figur 6 zeigt als grobes Blockdiagramm eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des in Figur 2 dargestellten Zusammenhangs von Heizleistung für die beiden Bimetallstreifen und Drehzahl.

Mit 42 ist ein Drehzahlmesser bezeichnet, der ausgangsseitig über eine Impulsformerstufe 43 und einen Leer-

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laufschalter 44 mit einer Schwellenschalteinrichtung gekoppelt ist. Die Schwellenschalteinrichtung 45 weist vier Ausgänge 46 bis 49 auf, die den einzelnen aus Figur 2 und 3 ersichtlichen Drehzahlwerten η . , nl, n2

und η zugeordnet sind. Zwei UND-Gatter 50 und 51 max

verknüpfen die Ausgänge 46 und 47 sowie 48 und 49 und sind ausgangsseitig mit Endstufen 52 und 53 zur Heizleistungssteuerung der Bimetalle verknüpft. Zwischen dem UND-Gatter 51 und der Endstufe 53 ist schließlich noch eine Heizleistungskontrolleinrichtung 54 geschaltet.

Die Beschriftung der Schwellenschalteinrichtung 45 macht deutlich, daß die Endstufe 52 dann ein positives Eingangssignal erhält, wenn die Drehzahl zwischen η . und nl liegt. Entsprechend wird die Endstufe 53 dann angesteuert, wenn der zweite Steuerbereich zwischen n2 und η gegeben ist.

Der Leerlaufschalter 44 im Signalgang des Drehzahlsignals verdeutlicht die Betriebsbereitschaft der Einrichtung lediglich im Leerlauffall, d.h. bei geschlossener Drosselklappe. Dabei wird der Schubbetrieb dem Leerlauffall gleichgestellt.

Figur 7 zeigt ein Beispiel der Heizleistungskontrolleinrichtung 54 vom Gegenstand nach Figur 6. Einer Eingangsklemme 6o folgt dabei die Basis eines in Emitterschaltung angeordneten Transistors 61, der kollektorseitig über einen Widerstand 62 zu einer Leitung 63 geführt ist. Diese Leitung 63 steht wiederum einmal unmittelbar mit dem Minuseingang eines Differenzverstärkers 64 und über je einen Widerstand 65 und einen Kondensator 66 mit einer Plusleitung -67 in Verbindung.

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Der Pluseingang des Verstärkers 64 ist an der Verbindungsstelle zweier Widerstände 68 und 69 angeschlossen, wobei diese beiden Widerstände einen Spannungsteiler zwischen den Betriebsspannungsanschlüssen bilden.

Mit der in Figur 7 dargestellten Anordnung läßt sich das Temperaturverhalten des Bimetallstreifens darstellen, indem nämlich die integrierende Funktion des Kondensators 66 der Wärmeträgheit des Bimetallstreifens entspricht.. Auf diese Weise ist eine Kontrolle der Heizleistung für einzelne Bimetallstreifen möglich, so daß mögliche Schäden z.B. infolge einer unzulässigen Temperaturerhöhung vermeiden werden können.

Die Schwellenschalteinrichtung 45 beim Gegenstand von Figur 6 weist vier Ausgänge auf, nämlich je einen für die z.B. aus Figur 2 ersichtlichen Drehzahlschwellwerte

η . , nl, n2 und η . Diese vier Schwellwerte lassen mm max

sich am einfachsten mittels vier getrennten Schwellwertschaltern bilden, jedoch entspricht dies nicht der kostengünstigsten Lösung für eine Serienfertigung. Aus diesem Grund zeigt Figur 8 als Blockdiagramm eine Lösung, mit der die beiden aus Figur 2 ersichtlichen Drehzahlbereiche zwischen η . und nl sowie n2 und η mittels nur dreier Schwellwertschalter bestimmt werden können. Im einzelnen ist der entsprechende Schaltungsaufbau der Anordnung wie folgt:

Hauptmerkmale sind zwei fest eingestellte Schwellwertschalter 70 und 71 sowie ein weiterer steuerbarer Schwellwertschalter 72. Gesteuert wird der steuerbare Schwellwertschalter 72 vom Ausgangssignal des Schwellwertschalters 72. Eingangsseitig sind sämtliche drei

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Schwellwertschalter 70, 71 und 72 an einer Eingangsleitung 7k angeschlossen. Mit A, B und C sind die einzelnen Ausgänge der Schwellwertschalter 72, 70 und 71 bezeichnet. Dabei erfahren die Ausgangssignale der Schalter 72 und 70 noch eine logische Verknüpfung über Inverter und UND-Gatter. Die Verknüpfung ist dergestalt, daß das Signal vom Anschlußpunkt A unmittelbar mit einem ersten Eingang eines UND-Gatters 75 und mittelbar über einen Inverter 76 mit einem ersten Eingang eines zweiten UND-Gatters 77 verknüpft ist. In entsprechender Weise steht das Signal vom Ausgang B einmal unmittelbar am zweiten Eingang des UND-Gatters 77 und einmal mittelbar über einen Inverter 78 am zweiten Eingang des UND-Gatters 75 an. An den beiden Ausgängen der UND-Gatter 75 und 77 lassen sich die Steuersignale für die beiden Endstufen 52 und 53 des Gegenstandes von Figur 6 abnehmen.

Figur 8b zeigt in einer Wahrheitstabelle den Zusammenhang zwischen den Eingangsdrehzahlwerten und den Signalen an den Punkten A, B und C. Dabei wird deutlich, daß mittels des Ausgangssignales des Schwellwertschalters 71 die Schwelle des Schalters 72 verstellt wird, d.h., daß abhängig vom Ausgangssignal am Punkt C der Schwellwertschalter 72 entweder den minimalen oder den maximalen Drehzahlwert erfaßt. Die Art der logischen Verknüpfung der Signale an den Punkten A und B in der logischen Schaltungsanordnung mit den Gliedern 75 bis 78 ist in den Gleichungen von Figur 8c angegeben. Danach tritt am Ausgang des UND-Gatters 77 dann ein Signal auf, wenn am Punkt A kein positives Signal, jedoch am Punkt B ein Plus-Signal auftritt. Im umgekehrten Falle ergibt sich ein Ausgangssignal am UND-Gatter 75·

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Zusammenfassung

Es wird eine Einrichtung zum Steuern des Luftdurchsatzes im Saugrohr einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Bypaßkanal zur Drosselklappe mit einer steuerbaren Absperrvorrichtung vorgeschlagen, wobei diese Absperrvorrichtung im Ruhezustand bzw. bei der vorgewählten Leerlaufdrehzahl in einer Mittelposition sich befindet und die Absperrvorrichtung mittels zweier gegenläufig wirkender Bimetallstreifen gesteuert wird. Dabei arbeitet die vorgeschlagene Einrichtung nur im Leerlauffall, bzw. vorzugsweise immer dann, wenn die Drosselklappe geschlossen ist. Die Ansteuersignale für die Bimetallheizwicklungen entstammen entweder einem Dreipunktregler oder einer Schaltungsanordnung, die ausgangsseitig ein rampenförmiges Signal abgibt. Hauptvorteil der Einrichtung ist ihre schnelle Reaktion auf entsprechende Ansteuersignale.

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Claims

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Ansprüche

Ij Einrichtung zum Steuern des Luftdurchsatzes im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine, insbesondere im Drosselklappen-Bypaßkanal, mittels eines Schiebers oder Bolzens, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung über das Erhitzen zweier gegensinnig wirkender Bimetalle und 15, 25 und 26, 37 und 38) steuerbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Lochblende (21, 23 und 32, 35) aufweist und die beiden Bimetalle mit Lochscheibe (20, 33) und/oder Lochblende (22, 35) gekoppelt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung während einer Erwärmungsperiode zeit- und/oder drehzahlgesteuert ist.

¹J. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Bimetalle (14 und 15,

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25 und 26, 37 und 38) mit impulsförmigen Strom erhitzbar ist.

5. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis H, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einstellung von Lochscheibe und Lochblende für die Leerlaufdrehzahl und/ oder bei Drehzahlen oberhalb eines bestimmten Wertes (n ) wenigstens einer der Bimetalle mit einem definierten Strom, vorzugsweise (I _ax/₂) beheizbar ist,

6. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dreipunktregler für die Heizleistungen der beiden Bimetalle vorgesehen ist.

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