DE4125554C2

DE4125554C2 - Einrichtung zur Verstellung einer Drosselklappe

Info

Publication number: DE4125554C2
Application number: DE19914125554
Authority: DE
Inventors: Torsten Bellon; Frank Goehring
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2011-08-03
Also published as: DE4125554A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ver stellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine zwischen einer Schließstellung mit einem α-Wert von etwa 0° und einer Öffnungsstellung mit einem α-Wert von etwa 90, bei der

- die Drehung der Drosselklappe im Bereich zwischen Leer lauf (LL) und Vollast (VL) mecha nisch mittels Gaspedal und einer ersten Rück stellfeder erfolgt,
- die Drehung der Drosselklappe im Leerlaufbereich zwischen einer Minimalstellung (LL_min) und einer Maximalstellung (LL_max) mittels eines elektro nisch gesteuerten, elektromotorischen Stellele mentes gegen die Kraft einer zweiten Rückstell feder bewirkt wird und
- die Drosselklappe bei Ausfall des elektromotori schen Stellelements automatisch in eine Notlauf stellung (LL_not) gebracht wird.

Bei einer bekannten Drosselklappen-Stelleinrichtung (DE 39 16 296 A1) ist zur Betätigung der Drosselklappe mittels eines in Öffnungsrichtung gegen die Kraft einer Rückstell feder arbeitenden Stellmotor eine wegabhängig umsteuernde Bewegungsumkehreinrichtung vorgesehen, bei der ein Motor stellhebel mechanisch derart mit einem Stellglied des Stellmotors verbunden ist, daß bei einer Verschiebung des Stellgliedes aus seiner durch die Rückstellfeder sich ergebenden Stellung die Drosselklappe zunächst geringfügig in Schießrichtung und dann bei weiterer Verschiebung des Stellgliedes in umgekehrter Richtung schwenkt. Diese Stelleinrichtung ist mechanisch sehr aufwendig, bedarf einer sorgfältigen Justierung und verursacht erhebliche zusätzliche Reibungsverluste, die durch einen entsprechend vergrößerten Stellantrieb und stärker ausgelegte Rück stellfedern kompensiert werden müssen.

Bei einer anderen bekannten Einrichtung dieser Art (DE 39 01 583 A1 ist zur Drehung der Drosselklappe im Leerlauf bereich ein Elektromotor vorgesehen, der von einer elek tronischen Regeleinrichtung angesteuert wird. Zwischen der Drosselklappenstellung mit geringsten Öffnungsquerschnitt (LL_min) und der Drosselklappenstellung mit dem größten, im Rahmen der Leerlaufregelung erreichbaren Öffnungsquer schnitt (LL_max) liegt eine Leerlaufnotstellung (LL_not), in der die Drosselklappe einen definierten Mindest-Öffnungs querschnitt freigibt. Dazu ist zusätzlich zu der zweiten Rückstellfeder eine Notlauffeder vorgesehen, die von dem Elektromotor gespannt wird, wenn die Drosselklappe aus der Leerlaufnotstellung weiter in Richtung geringstem Öffnungsquerschnitt (LL_min) gedreht wird und die die Dros selklappe automatisch bis (LL_not) öffnet, wenn der Elek tromotor und/oder die elektronische Regeleinrichtung aus fällt. Diese Notlauffeder wirkt der zweiten Rückstellfeder entgegen. Sie muß stärker sein als diese, weil andernfalls die Leerlaufnotstellung nicht erreicht wird.

Bei dieser bekannten Einrichtung zur Verstellung der Dros selklappe wird als nachteilig angesehen, daß im Leerlauf bereich Rückstellfeder und Notlauffeder gegensinnig wirken und daß deswegen das elektromotorische Stellglied und die zugehörige elektronische Steuerung so ausgelegt werden müssen, daß die Drosselklappe aktiv in beiden Drehrichtun gen verstellt werden kann. Damit unterscheidet sich die Einflußnahme im Leerlaufbereich von derjenigen im Bereich zwischen Leerlauf (LL) und Vollast (VL). Im letztgenannten Bereich wirkt die über das Gaspedal aufgebrachte Kraft nur in eine Richtung, nämlich gegen die Kraft der ersten Rück stellfeder, die bei einer Verminderung der Gaspedalkraft passiv die Verstellung der Drosselklappe in Gegenrichtung bewirkt. Im gesamten Stellbereich zwischen LL und VL hat man ein stabiles und spielfreies Gleichgewicht zwischen der von außen aufgebrachten Kraft und der Kraft der ersten Rückstellfeder. Im Bereich zwischen LL_min und LL_max wirkt das elektromotorische Stellglied gegen die zweite Rück stellfeder und außerdem zwischen LL_not und LL_min gegen die Notlauffeder. Daraus folgt, daß die Drosselklappe zwischen LL_not und LL_max vor dem elektromotorischen Stellglied aktiv gegen die zweite Rückstellfeder, zwischen LL_not und LL_min aber aktiv gegen die Notlauffeder bewegt werden muß und daß das elektromotorische Stellglied in beide Wirkrichtungen umsteuerbar sein muß. Es leuchtet ein, daß ein derartiges elektromotorischen Stellglied aufwendiger ist als ein nur einseitig gegen eine Rückstellfeder arbei tendes elektromotorisches Stellglied. Dabei spielt die Forderung nach spiel freier Drehrichtungsumkehr eine erheb liche Rolle, zumal mit einem nicht zu vernachlässigenden Bauteileverschleiß über die angestrebte Einsatzdauer gerechnet werden muß.

Es besteht somit die Aufgabe, die eingangs genannte Ein richtung zur Verstellung der Drosselklappe einer Brenn kraftmaschine dahingehend weiterzubilden, daß die geschil derten Nachteile mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Verstelleinrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch

a) die Drosselklappe unter Beibehaltung der Drehrichtung über die Schließstellung hinaus in eine Öffnungsstel lung (Notlaufstellung LL_not) mit negativem α-Wert verstellbar ist,
b) die Notlaufstellung (LL_not) als Raststellung (21) ausgebildet ist und
c) eine bei Betätigung des Gaspedals in Öffnungsrichtung zu spannende Speicherfeder im Zusammenwirken mit der Raststellung einen Schnapp-Mechanismus bildet, durch den die Drosselklappe schlagartig aus der Notlauf stellung (LL_not) in eine Leerlaufstellung mit positi vem α-Wert umgeschwenkt wird.

Eine Drosselklappe, bei der sich der Stellbereich nicht nur über den positiven Ast, also von LL_min bis VL sondern auch noch über einen negativen Ast der Kennlinie von LL_min bis LL_not erstreckt, nennt man auch eine durchtauchende Drosselklappe. Wird eine durchtauchende Drosselklappe von VL in Richtung LL_min gedreht, so vermindert sich der Öffnungsquerschnitt und dementsprechend auch der Luft durchsatz von einem größten Querschnitt auf einen klein sten Wert. Bei einer weiteren Drehung der Drosselklappe in gleicher Richtung wird der Öffnungsquerschnitt und damit auch der Luftdurchsatz wieder größer.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Vergroßerung des Öffnungsquerschnitts auf dem negativen Ast der Kennlinie nur bis in eine Notlaufstellung LL_not möglich ist, die automatisch eingenommen wird, wenn das elektromotorische Stellglied bzw. die Steuerung ausfällt, und bei der eine definierte Mindestluftmenge durchgesetzt wird, die größer ist als LL_min. Mit der Verlegung der Notlaufstellung LL_not auf den negativen Ast der Kennlinie sind erhebliche Vor teile verbunden. Da LL_not jetzt "jenseits" von LL_min liegt, kann die zweite Rückstellfeder die Funktion der Notlauffe der mit übernehmen. Damit erübrigt sich eine gesonderte Notlauffeder. Außerdem liegen im Bereich LL_not über LL_min bis LL_max jetzt die gleichen Bedingungen vor, wie im Bereich zwischen LL und VL, d. h. die aufzubringenden akti ven Stellkräfte müssen nur noch in eine Richtung wirken, während in Gegenrichtung über den ganzen Bereich nur noch die zweite Rückstellfeder wirkt. Dementsprechend müssen das elektromotorische Stellglied und die Steuerung nur noch für eine aktive Drehrichtung ausgelegt werden, womit sich auf das Problem der spielfreien Drehrichtungsänderung erledigt hat.

Die Benutzung einer durchtauchenden Drosselklappe und die Verlagerung der Notlaufstellung auf den negativen Ast der Kennlinie hat jedoch den prinzipiellen Nachteil, daß die Drosselklappe bei Ausfall des elektromotorischen Stellglie des bzw. der Steuerung automatisch in eine Position gebracht wird, aus der sie bei einer Betätigung der Gaspe dals zunächst in Richtung auf LL_min bewegt wird, also ent gegen dem "Befehl" des Gaspedals statt auf mehr auf weniger Öffnungsquerschnitt verstellt wird. Erst bei weiterer Dre hung der Drosselklappe über LL_min hinaus wird der durch Betätigung des Gaspedals angestrebte Zweck erreicht. Die Brennkraftmaschine reagiert aber erst mit einer gewissen Verzögerung auf das Gaspedal. Diese Verzögerung ist insbe sondere deswegen nicht akzeptabel, weil dabei die Gefahr besteht, daß die Brennkraftmaschine ungewollt außer Betrieb geht.

Erfindungsgemäß ist die Notlaufstellung deswegen als Rast stellung ausgebildet und außerdem eine vom Gaspedal zu spannende Speicherfeder vorgesehen. Raststellung und Spei cherfeder bilden einen Schnappmechanismus der zwar nicht verhindern kann, daß die Brennkraftmaschine erst mit einer gewissen Verzögerung auf das Gaspedal reagiert, sie ermög licht aber, daß der Übergang der Drosselklappe aus der Stellung LL_not auf dem negativen Ast der Kennlinie in eine Stellung mit mindestens dem gleichen Öffnungsquerschnitt auf dem positiven Ast der Kennlinie schlagartig erfolgt, wobei die Stellung LL_min sehr rasch durchlaufen und ein Aussetzen der Brennkraftmaschine vermieden wird.

Raststellung und Speicherfeder sind so aufeinander abge stimmt, daß bei Betätigung des Gaspedals zunächst keine Bewegung der Drosselklappe erfolgt, weil sie noch in der Notlaufstellung mit entsprechendem Öffnungsquerschnitt gehalten wird. Erst wenn bei weiterer Spannung der Spei cherfeder die Rastkraft überwunden wird, geht die Drossel klappe schlagartig in eine Position auf dem positiven Ast der Kennlinie über, bei der wiederum so viel Öffnungsquer schnitt vorhanden ist, daß ein Aussetzen der Brennkraftma schine nicht passieren kann.

Damit ist eine Einrichtung zur Verstellung der Drossel klappe bei einer Brennkraftmaschine geschaffen, die für den Leerlaufbereich nur noch ein in eine Drehrichtung wirkendes elektromotorisches Stellglied benötigt, bei der also das Problem der spiel freien Drehrichtungsänderung nicht auftre ten kann und bei der die mit durchtauchenden Drosselklappen verbundene Gefahr, daß die Brennkraftmaschine außer Betrieb geht, praktisch nicht besteht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgedankens werden anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert.

Fig. 1 zeigt die Kennlinie einer durchtauchenden Dros selklappe,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Kennlinie nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Einrich tung in der Position LL_min,

Fig. 4 zeigt das gleiche Schema für die Position LL_not.

In Fig. 1 ist der Öffnungsquerschnitt bzw. der dazu propor tionale Luftdurchsatz m über dem Anstellwinkel der Drossel klappe DK∡ aufgetragen. Die etwa parabelförmige Kennlinie 1 verläuft auf dem positiven Ast (+α) von einem unteren Umkehrpunkt 2 (= LL_min) über einen Punkt 4 (=LL_max) zu einem Punkt 5 (= VL). Auf dem negativen Ast (-α) erstreckt sich die Kennlinie 1 vom Punkt 2 bis zum Punkt 3 (= LL_not).

Durch die Verlegung der Notlaufstellung LL_not vom positiven Ast der Kennlinie (Punkt 3′) auf den negativen Ast der Kennlinie (Punkt 3) spart man eine besondere Notlauffeder. Ihre Funktion wird von der zweiten Rückstellfeder mit über nommen. Daraus folgt weiter, daß der elektromotorische Antrieb und die elektronische Steuerung nur noch für eine aktive Drehrichtung ausgelegt werden müssen. Außerdem kann der Antrieb schwächer ausgelegt werden, weil dafür nicht mehr die beim Stand der Technik notwendige Notlauffeder maßgebend ist, sondern die zweite Rückstellfeder, die im Hinblick auf die gewünschten Funktionen eine kleinere Rück stellkraft hat als die Notlauffeder.

In Fig. 2 ist der Luftdurchsatz über dem Stellweg S des Gaspedals aufgetragen. Die Kurve A zeigt den Verlauf des Luftdurchsatzes , für den Fall, daß die Drosselklappe auf der Kennlinie 1 stetig aus der Stellung 3 über die Stellung 2 auf einen Punkt 3′ auf dem positiven Ast der Kennlinie geführt wird. Es leuchtet unmittelbar ein, daß die bei Aus fall des Stellmotors bzw. der Steuerung von der durchtau chenden Drosselklappe erreichte Position 3 nur verlassen werden kann, indem zunächst der Luftdurchsatz bis auf LL_min verringert wird. Dabei besteht die Gefahr, daß die Brenn kraftmaschine außer Betrieb geht, weil deren Schwungmasse nicht ausreicht, einen länger anhaltenden Luftmangel zu überbrücken.

Die Kurve B zeigt den Verlauf des Luftdurchsatzes bei Anwendung des erfindungsgemäßen Schnapp-Mechanismus. Da die Drosselklappe im Leerlaufbereich vom Gaspedal abgekoppelt ist, kann sie nur mit einer gewissen Verzögerung auf eine Bewegung des Gaspedals reagieren, jedoch ohne vom Verlauf der Kurve A abzuweichen. Erfindungsgemäß wird die Drossel klappe zunächst noch in der Position 3 festgehalten, wenn das Gaspedal betätigt und dabei eine Speicherfeder gespannt wird. Überschreitet die Spannkraft der Speicherfeder die Haltekraft der Raststellung, dann wird die Drosselklappe schlagartig in eine Position auf dem positiven Ast der Kennlinie 1 geschwenkt, wobei die "Talsohle" mit LL_min (Punkt 2′) rasch durchschritten wird. Damit schrumpft der Zeitraum mit Luftunterdeckung zusammen, so daß das Schwung moment der Brennkraftmaschine praktisch immer ausreicht, ein Außerbetriebgehen zu vermeiden.

Fig. 3 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Einrichtung gemäß der Erfindung in der Stellung LL_min. In einem Gehäuse 6 ist die Drosselklappe 7 mit ihren Stell antrieben angeordnet. Dabei handelt es sich einmal um ein rein mechanisches System, daß über ein Gestänge 8 o. dgl. vom Gaspedal 9 betätigt wird. Das Gestänge 8 wirkt auf einen Bügel 10, der zwischen den Positionen LL und VL ver schiebbar ist, wobei die aus Sicherheitsgründen doppelt ausgeführte erste Rückstellfeder 11 der über das Gaspedal 9 aufgebrachten Stellkraft entgegenwirkt. Der Bügel 10 weist zwei im Abstand zueinander angeordnete Hebel 12 und 13 auf, die in jeweils einer Richtung einen Hebel 14 mitnehmen kön nen, der direkt auf die Welle 15 der Drosselklappe 7 wirkt. Die Einflußnahme der Hebel 12 und 13 auf den Hebel 14 erfolgt nicht direkt, sondern unter Zwischenschaltung einer zweiten Rückstellfeder 17 bzw. einer Speicherfeder 18, deren Funktionen noch erläutert werden.

Ein zweiter Stellantrieb wirkt direkt auf die Welle 15 der Drosselklappe 7. Er besteht aus einem elektromotorischen Stellglied 16, hier einem Drehmagneten 19, der von einer elektronischen Steuerung angesteuert wird. Bei entlastetem Gaspedal 9 liegt der Bügel 10 am Leerlauf-Anschlag LL an. Diese Position behält er solange bei, bis das Gaspedal 9 wieder betätigt wird, wobei sein Stellweg durch den Vollast-Anschlag VL begrenzt ist. Für die Leerlaufregelung kann der Bügel 10 als unbewegliches Bauteil angesehen wer den. Die in dem Bügel 10 abgestützte zweite Rückstellfeder 17 wirkt in Richtung der dargestellten Position LL_min und hält die Drosselklappe 7 in der entsprechenden Stellung fest, solange von der elektronischen Steuerung 20 nicht ein größerer Luftbedarf signalisiert wird und die Welle 15 der Drosselklappe 7 vom Drehmagneten 19 in Richtung auf LL_max verdreht wird. Dabei wird die zweite Rückstellfeder 17 gespannt, so daß für eine Drehung der Welle 15 in Richtung LL_min kein aktiver Antrieb erforderlich ist. Es muß ledig lich der Drehmagnet 19 in die entsprechende Position zurückgeführt werden. Außerdem ist noch ein Istwert-Sensor 22 vorgesehen, dessen Signal für die elektronische Steue rung des Drehmagneten 19 erforderlich ist.

Bei Ausfall des Drehmagneten 19 und/oder der Steuerung 20 wird die Welle 15 von der Rückstellfeder 17 über LL_min hin aus weiter bis in die Position LL_not gedreht (Fig. 4). Dabei wird sie in die Raststellung 21 gedrückt. In dieser Position ist die zweite Rückstellfeder 17 praktisch völlig entspannt und der Hebel 14 liegt an der Speicherfeder 18 an. Diese stützt sich im Hebel 13 des Bügels 10 ab. Wenn der Bügel 10 vom Gaspedal 9 in Richtung VL verschoben wird, wird die Speicherfeder 18 gespannt, weil der Hebel 14 bzw. die Welle 15 in der Raststellung zunächst noch festgehalten wird. Dabei wird im gleichen Maße der Hebel 12 mit der zweiten Rückstellfeder 17 verschoben, so daß letztere vom Hebel 14 abhebt. Die Rückstellfeder 17 wirkt also nicht im Sinne des Festhaltens in der Raststellung 21 und muß des halb bei der Abstimmung der Speicherfeder 18 und der Rast stellung 21 nicht berücksichtigt werden. Ist die Kraft der Speicherfeder 18 größer als die Haltekraft der Raststellung 21, wird der Schnapp-Mechanismus ausgelöst und die Drossel klappe 7 schlagartig aus der Position 3 auf dem negativen Ast der Kennlinie 1 in eine Position auf dem positiven Ast umgeschwenkt, bei der mindestens der gleiche Öffnungsquer schnitt bzw. Luftdurchsatz gewährleistet ist wie in der Position 3 (= LL_not).

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann mit gleichem Nutzen auch bei solchen Systemen eingesetzt werden, bei denen nicht nur der Leerlaufbereich sondern der gesamte Steuerbe reich durch ein elektromotorisches Stellglied beeinflußbar ist. Also auch bei Systemen mit automatischer Geschwindig keitsregelung oder mit Antischlupfeinrichtungen.

Claims

1. Einrichtung zur Verstellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine zwischen einer Schließstellung mit einem α-Wert von etwa 0° und einer Öffnungsstel lung mit einem α-Wert von etwa 90°, bei der

- die Drehung der Drosselklappe im Bereich zwischen Leerlauf (LL) und Vollast (VL) mecha nisch mittels Gaspedal und einer ersten Rück stellfeder erfolgt,
- die Drehung der Drosselklappe im Leerlaufbereich zwischen einer Minimalstellung (LL_min) und einer Maximalstellung (LL_max) mittels eines elektro nisch gesteuerten, elektromotorischen Stellele mentes gegen die Kraft einer zweiten Rückstell feder bewirkt wird und
- die Drosselklappe bei Ausfall des elektromotori schen Stellelements automatisch in eine Notlauf stellung (LL_not) gebracht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Drosselklappe (7) unter Beibehaltung der Dreh richtung über die Schließstellung hinaus in eine Öff nungsstellung (Notlaufstellung LL_not) mit negativem α-Wert verstellbar ist,
b) die Notlaufstellung (LL_not) als Raststellung (21) ausgebildet ist und
c) eine bei Betätigung des Gaspedals (9) in Öffnungs richtung zu spannende Speicherfeder (18) im Zusammen wirken mit der Raststellung (21) einen Schnapp-Mecha nismus bildet, durch den die Drosselklappe (7) schlagartig aus der Notlaufstellung (LL_not) in eine Leerlaufstellung mit positivem α-Wert umgeschwenkt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromotorisches Stellelement (16) für den Leerlaufbereich ein unmittelbar auf die Welle der Drosselklappe (7) wirkender Drehmagnet (19) verwendet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Rückholfeder (17) in einem Bauteil (12) abgestützt ist, das beweglich angeordnet ist und mit dem System Gaspedal/Rückstellfeder (9, 11) direkt mechanisch gekoppelt ist.