DE4138594C2 - Lastverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Lastverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ver­ stellung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei sogenannten aufgeladenen Motoren, denen mittels Kom­ pressor oder dergl. (G-Lader, Turbolader) Ladeluft von erhöhtem Druck zugeführt wird, muß der Ladedruck an den jeweiligen Betriebszustand angepaßt werden. Im allgemeinen ist der Ladedruck proportional zur Drehzahl der Brennkraft­ maschine, was keineswegs optimal ist, weil der Ladedruck bei niedrigen Drehzahlen häufig nicht hoch genug ist, bei hohen Drehzahlen aber so hoch, daß für hoch belastete Bau­ teile eine Beschädigungsgefahr besteht.
Eine verhältnismäßig einfache Lösung dieses Problems besteht darin, die Kennlinie des Ladedrucks so zu wählen, daß bis zu den niedrigsten Betriebsdrehzahlen immer ein ausreichend hoher Ladedruck gewährleistet ist und bei hohen Drehzahlen durch eine Bypaßleitung zwischen der Druckseite und der Saugseite des Kompressors dafür zu sorgen, daß der Ladedruck auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt wird. Zweckmäßigerweise wird diese Begrenzung nicht über ein simples Überdruckventil eingestellt, weil dies zu uner­ wünschten Unstetigkeiten in der Leistungskurve der Brenn­ kraftmaschine führen würde, sondern durch eine geregelte Bypaßklappe o. dgl.
Bekannt ist es, die Bypaßklappe über einen geeigneten Hebelmechanismus direkt an die Stellorgane der Drossel­ klappe anzuschießen (DE-OS 24 16 287; 24 54 215; 37 19 975; 38 07 998). Diese Lösung ist ohne großen Aufwand realisierbar, sie ist jedoch auf eine starre Ankopplung der Bypaßklappenkennlinie an die Drosselklappenkennlinie beschränkt. Die Ankopplung kann bei der Auslegung zwar ein­ mal in bestimmten Grenzen frei gewählt werden, sie erlaubt aber keine optimale Ausnutzung des regeltechnischen Poten­ tials, zumal Erwägungen der Betriebssicherheit den Spiel­ raum weiter einschränken.
Die Bypaßklappe über eine von der Drosselklappe unabhängige Stelleinrichtung zu regeln, ist verhältnismäßig aufwendig und kommt nur dort in Betracht, wo den Zusatzkosten entsprechende Ersparnisse beim Brennstoffverbrauch gegenüberstehen.
Aus der DE 37 14 078 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappe und mit einem in einer Bypaßleitung angeordneten Belüftungsventil bekannt, bei der das Belüftungsventil mit der Drosselklappe derart antriebsmäßig verbunden ist, daß es beim Schließen der Drosselklappe öffnet.
Es besteht also die Aufgabe, bei einer Brennkraftmaschine mit Aufladung und Leerlaufregelung die Vorteile einer von der Drosselklappe unabhängigen Regelung der Bypaßklappe zu realisieren, ohne dafür eine gesonderte Stelleinrichtung einsetzen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Leitung für die Ladeluft eine geregelte Bypaßklappe oder dgl. angeordnet ist und daß als Stellglied für die Bypaßklappe das für die Drehung der Drosselklappe im Leerlaufbereich vorgesehene Stellelement verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Stellantrieb für eine Leerlaufregelung während der übrigen Betriebszeit nicht benötigt wird und daß eine Ladedruckregelung im Leerlaufbereich nicht erforderlich ist. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird in den Ansprüchen 2 bis 9 im einzelnen angegeben, wie der Stellantrieb in den beiden Stellbereichen einerseits an die Drosselklappe und andererseits an die Bypaßklappe angekoppelt bzw. von der Drosselklappe und der Bypaßklappe abgekoppelt wird. Außerdem wird angegeben, wie die beiden Stellglieder bei einem Ausfall des elektromotorischen Stellelements oder der elektronischen Steuerung reagieren und einen Sicherheits- oder Notbetrieb gewährleisten.
Weitere Einzelheiten werden anhand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt das Schema einer Brennkraftmaschine mit Aufladung und Leerlaufregelung,
Fig. 2 zeigt eine Lineardarstellung der erfindungsgemä­ ßen Einrichtung,
Fig. 3 zeigt eine Alternative zu Fig. 1,
Fig. 4 zeigt eine weitere Alternative zu Fig. 1.
Die Brennkraftmaschine 2 gemäß Fig. 1 treibt einen Kompres­ sor 3, der über eine Leitung 4 und ggf. einen Kühler 4b Ladeluft mit erhöhtem Druck in die Brennkraftmaschine 2 fördert, wobei in bekannter Weise über eine Drosselklappe 1 die Leistung der Brennkraftmaschine 2 an die jeweiligen Er­ fordernisse anpaßbar ist. Diese Drosselklappe 1 wird im normalen Betriebsbereich zwischen Leerlauf und Vollast von einem nicht dargestellten Gaspedal gesteuert, im Leerlauf­ bereich jedoch von einem elektromotorischen Stellglied 10, wobei die Leistung der Brennkraftmaschine 2 bei völlig entlastetem Gaspedal an den u. U. erheblich schwankenden Leistungsbedarf angepaßt wird. Ohne Leerlaufregelung könne man den Luftdurchsatz durch die Drosselklappe 1 nur soweit absenken, daß für alle vorkommenden Betriebszustände eine ausreichend hohe Leerlaufleistung zur Verfügung gestellt wird. Bei dieser "Sicherheitsauslegung" werden im Leerlauf­ betrieb erhebliche Brennstoffmengen verschwendet, weil die maximal benötigte Leerlaufleistung deutlich über der mini­ mal oder durchschnittlich benötigten Leerlaufleistung liegt. Berücksichtigt man ferner, daß mit zunehmender Ver­ kehrsdichte Brennkraftmaschinen bis zu 80% der Betriebszeit im Leerlauf betrieben werden, so wird verständlich, daß eine Leerlaufregelung wirtschaftlich von zunehmender Bedeu­ tung ist und schon im großen Umfang eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird das Stellelement 10 für die Leerlauf­ regelung der Drosselklappe 1 auch zur Verstellung einer Bypaßklappe 16 benutzt, die in der Leitung 4 angeordnet ist und über die die "abgeregelte" Luftmenge in eine Rücklauf­ leitung 4a und schließlich in den Ansaugbereich des Kom­ pressors 3 gelangt.
Fig. 2 zeigt eine stark vereinfachte und schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Drosselklappe 1 ist im Ansaugstutzen der nicht gezeigten Brennkraftmaschine drehbar gelagert. Die Drosselklappen­ welle 5 ist drehfest mit einem Hebel 6 verbunden, der vom Gaspedal 7 über ein Gestänge 8 in Öffnungsrichtung bewegbar ist. Gaspedal 7 und Gestänge 8 werden über eine doppelt ausgeführte Rückstellfeder 9 in Schließrichtung zurückge­ führt, wenn das Gaspedal 7 entlastet wird. Der Hebel 6 ist in Schließrichtung von der Rückstellfeder 9a gespannt und folgt dem Gestänge 8, sofern nicht die noch zu erläuternde Leerlaufregelung zum Eingriff kommt. Die Bewegung des Gestänges 8 ist durch gehäusefeste Anschläge 31 für Leer­ lauf, (LL) und 32 für Vollast (VL) begrenzt und weist einen Kulissenbereich 30 auf, an dessen linker Seite der Hebel 6 anliegt, solange die Brennkraftmaschine über das Gaspedal 7 geregelt wird und dessen rechte Seite einen Sicherheitsan­ schlag bildet, der den Stellbereich des Hebels 6 im Leer­ laufbereich nach oben begrenzt und bei einem Bruch der Fe­ der 9a die Rückstellung der Drosselklappe 1 übernimmt.
Im Leerlaufbereich, wenn das Gaspedal 7 völlig entlastet ist und das Gestänge 8 am Anschlag 31 anliegt, ist der He­ bel 6 vom Stellelement 10 in Öffnungsrichtung der Drossel­ klappe von einer Minimalstellung LLmin, der ein gehäusefe­ ster Anschlag 19 entspricht, bis in eine Maximalstellung LLmax, der ein gehäusefester Anschlag 20 entspricht, bewegbar, wobei die Rückstellfeder 9a für die Rückstellung des Hebels 6 und die Rückstellfeder 13 für die Rückstellung des Stellelements 10 sorgt. Zwischen den Anschlägen 19 und 20 ist noch ein beweglicher Anschlag 15 vorgesehen, der vom Stellelement 10 in Schließrichtung gegen die Kraft der Rückstellfeder 14 bis zum Anschlag 19 verschiebbar ist. Dieser bewegliche Anschlag 15 sorgt dafür, daß bei Ausfall des Stellelements 10 oder der Steuerung 12 die Drossel­ klappe 1 in eine Position LLnot geschwenkt wird, die einen höheren Luftdurchsatz erlaubt, als die Position LLmin und einen zwar nicht optimal wirtschaftlichen aber zumindest betriebssicheren Leerlauf der Brennkraftmaschine gewährlei­ stet.
Das Stellelement 10 wirkt über einen Hebel 11 und einen Mitnehmer 18 auf den Hebel 6 ein, wobei die Bewegung des Mitnehmers 18 in Öffnungsrichtung durch den Anschlag 20 begrenzt ist. Der Hebel 11 kann erfindungsgemäß jedoch vom Stellglied 10 weiter in Öffnungsrichtung der Drosselklappe 1 bewegt werden, um die Bypaßklappe 16 zu verstellen, ohne daß noch Einfluß auf die Drosselklappe 1 genommen wird. Mit anderen Worten, in Öffnungsrichtung jenseits der Drossel­ klappenstellung LLmax wirkt der Hebel 11 unter Spannung der Koppelfeder 21 und weiterer Spannung der Rückstellfeder 13 über ein Getriebe 17 und einen Hebel 11a nur noch auf die Bypaßklappenwelle 22. Dabei kann die Kennlinie der Bypaß­ klappe 16 einerseits durch das zwischengeschaltete Getriebe 17 und andererseits selbstverständlich durch die elektronische Steuerung 12 den Bedürfnissen angepaßt werden. Zu diesem Zweck sind auch die Sensoren 28 und 29 vorgesehen, die Signale zur Bestimmung der jeweils aktuellen Position der Drosselklappe 1 und des Stellelements 10 bzw. des Hebels 11 erzeugen.
Fig. 2 zeigt, wie die Drosselklappe 1 im Bereich zwischen Leerlauf (LL) und Vollast (VL) vom Gaspedal 7 und im Leer­ laufbereich zwischen LLmin und LLmax vom Stellelement 10 bewegt wird und wie das Stellelement 10 einerseits mit dem Hebel 6 der Drosselklappenwelle 5 und andererseits mit dem Hebel 11a der Bypaßklappenwelle 22 gekoppelt ist. Das Stellelement 10 kann also in beiden Bereichen genutzt werden, so daß eine von der Drosselklappe 1 unabhängige Regelung der Bypaßklappe 16 realisierbar ist, ohne daß hierfür ein gesonderter Stellantrieb notwendig ist. Für Brennkraftmaschinen mit Aufladung und Leerlaufregelung wird damit eine Möglichkeit aufgezeigt, mit ein und demselben Stellelement zwei völlig verschiedene Regelfunktionen durchzuführen und damit ohne großen Aufwand ein wirtschaftliches Betreiben der Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich und im gesamten Lastbereich sicherzustellen.
Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Alternative zum Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2, wobei zur besseren Übersicht nur die Teile beziffert sind, die sich gegenüber der Fig. 1 kon­ struktiv oder funktionell geändert haben. Der Hebel 11a ist nicht mehr direkt mit der Bypaßklappenwelle 22 verbunden, sondern über einen Hebel 23 und eine Koppelfeder 24 ange­ schlossen. Außerdem ist der Hebel 6 mit einem Mitnehmer 25 versehen. Auf diese Weise kann die Bypaßklappe 16 auf ein plötzliches oder sehr starkes Entlasten des Gaspedals 7 wesentlich schneller in Öffnungsrichtung verstellt werden, als bei der Version nach Fig. 2, bei der die Verstellung der Bypaßklappe 16 in Öffnungsrichtung über den Hebel 18, den Hebel 11, das Stellelement 10, das Getriebe 17 und den Hebel 11a erfolgt. Bei der Version gemäß Fig. 3 wird die Bypaßklappe 16 dagegen direkt mechanisch an die Drossel­ klappe 1 angekoppelt, was für bestimmte Anwendungsfälle wichtiger ist als eine wirtschaftlich optimale Anpassung der Bypaßklappenstellung an die Drosselklappenstellung.
Fig. 4 zeigt eine andere Variante der Fig. 1. Hierbei ist dem Hebel 11a eine Feder 26 zugeordnet und der Hebel 11 zweiteilig mit einem getriebeseitigen Hebel 11b ausgeführt. Außerdem ist für den Hebel 11a ein Anschlag 27 vorgesehen, der der Drosselklappenstellung LLmax entspricht. In Öffnungsrichtung der Drosselklappe 1 kann der Hebel 11 den Hebel 11b, das Getriebe 17, den Hebel 11a und die Bypaßklappenwelle 22 mitnehmen, wobei die Bypaßklappe 16 in Schließrichtung verstellt wird. In Schließrichtung der Drosselklappe 1 folgt der Hebel 11a unter der Wirkung der Feder 26 nur bis zum Anschlag 27. Fährt das Stellelement 10 weiter in Schließrichtung der Drosselklappe 1, sind Hebel 11b, Getriebe 17, Hebel 11a und Bypaßklappenwelle 22 abge­ koppelt und das Stellelement 10 wirkt bestimmungsgemäß nur noch auf die Drosselklappe 1 ein. Umgekehrt wird das Stell­ element 10 von der Drosselklappe 1 abgekoppelt, wenn der Hebel 18 am Anschlag 20 anliegt, der der Drosselklappen­ stellung LLmax entspricht. Fig. 4 zeigt also eine weitere Möglichkeit, wie das Stellelement 10 sowohl zur Feststel­ lung der Drosselklappe 1 im Leerlaufbereich als auch zur Verstellung der Bypaßklappe 16 im Lastbereich genutzt wer­ den kann, ohne daß davon die jeweils andere Funktion beein­ flußt wird.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Verstellung der Drosselklappe (1) einer Brennkraftmaschine (2), die mittels Kompressor (3) oder dergleichen über eine Leitung (4) mit Ladeluft von erhöhtem Druck versorgt wird, wobei
die Drosselklappenwelle (5) drehfest mit einem Hebel (6) verbunden ist, über den die Drosselklappe (1) zwischen der Leerlaufstellung (LL) und der Vollaststellung (VL) mittels Gaspedal (7) und Gestänge (8) gegen Rückstellfedern (9, 9a) drehbar ist,
ein elektromotorisches Stellelement (10) mit Hebel (11) vorgesehen ist, das
von einer elektronischen Steuerung (12) ansteuerbar ist und durch das
die Drosselklappe (1) im Leerlaufbereich zwischen einer Minimalstellung (LLmin) und einer Maximalstellung (LLmax) gegen Rückstellfedern (9a, 13, 14) drehbar ist, wobei in der Leitung (4) für die Ladeluft eine geregelte Bypaßklappe (16) angeordnet ist und daß als Stellglied für die Bypaßklappe (16) das für die Drehung der Drosselklappe (1) im Leerlaufbereich vorgesehene Stellelement (10) verwendet wird, wobei das Stellelement (10) die Bypaßklappe (16) in Öffnungsrichtung verstellt, wenn die Drosselklappe (1) im Bereich zwischen der Leerlaufstellung (LL) und der Vollaststellung (VL) in Schließrichtung verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (10) im Stellbereich der Drosselklappe (1) zwischen LLmin und LLmax nur die Drosselklappe (1) und im Bereich zwischen LL und VL nur die Bypaßklappe (16) verstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellelement (10) und der Bypaßklappe (16) ein Getriebe (17) angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (10) über einen Mitnehmer (18) mit der Drosselklappe (1) gekoppelt ist, wobei der Stellweg des Mitnehmers (18) durch gehäusefeste Anschläge (19, 20) für die Drosselklappenstellungen LLmin und LLmax begrenzt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlägen (19, 20) ein Anschlag (15) für die Drosselklappenstellung LLnot vorgesehen ist, der vom Stellelement (10) über den Mitnehmer (18) gegen die Rückstellkraft der Feder (14) bis zum Anschlag (19) für die Drosselklappenstellung LLmin verschiebbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (18) über eine Koppelfeder (21) mit dem Hebel (11) verbunden ist, wobei die Koppelfeder (21) gespannt wird, wenn der Mitnehmer (18) am Anschlag (20) anliegt und das Stellelement (10) weiter in Öffnungsrichtung der Drosselklappe (1) bewegt wird.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßklappenwelle (22) drehfest mit einem Hebel (23) verbunden ist, der in Öffnungsrichtung der Bypaßklappe (16) vom Hebel (11) formschlüssig mitnehmbar und in Schließrichtung mittels einer Koppelfeder (24) an den Hebel (11) angekoppelt ist und der außerdem von einem Mitnehmer (25) des Hebels (6) unter Spannung der Feder (24) in Öffnungsrichtung der Bypaßklappe (16) verstellbar ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßklappenwelle (22) vom Hebel (11) über das Getriebe (17) in Schließrichtung der Bypaßklappe (16) formschlüssig mitnehmbar und in Öffnungsrichtung durch eine Feder (26) bis gegen einen Anschlag (27) rückstellbar ist, der der Drosselklappenstellung LLmax entspricht (Fig. 4.).
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (28) zur Erzeugung eines der Drosselklappenstellung proportionalen Signals vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (29) zur Erzeugung eines der Stellung des Stellelements (10) proportionalen Signals vorgesehen ist.
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