EP0108936A1 - Elektrische Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftmotors - Google Patents

Elektrische Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftmotors Download PDF

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EP0108936A1
EP0108936A1 EP83110206A EP83110206A EP0108936A1 EP 0108936 A1 EP0108936 A1 EP 0108936A1 EP 83110206 A EP83110206 A EP 83110206A EP 83110206 A EP83110206 A EP 83110206A EP 0108936 A1 EP0108936 A1 EP 0108936A1
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EP
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electromagnet
combustion engine
idling
electrical arrangement
regulation
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    • F02M3/07—Increasing idling speed by positioning the throttle flap stop, or by changing the fuel flow cross-sectional area, by electrical, electromechanical or electropneumatic means, according to engine speed
    • F02M3/075—Increasing idling speed by positioning the throttle flap stop, or by changing the fuel flow cross-sectional area, by electrical, electromechanical or electropneumatic means, according to engine speed the valve altering the fuel conduit cross-section being a slidable valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D31/00—Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
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    • F02D31/003—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control
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    • F02D11/06—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance
    • F02D11/10—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type
    • F02D2011/101—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type characterised by the means for actuating the throttles
    • F02D2011/102—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type characterised by the means for actuating the throttles at least one throttle being moved only by an electric actuator

Definitions

  • the invention relates to an electrical arrangement for controlling the idle speed of an internal combustion engine according to the preamble of the claim.
  • the idling speed of a motor vehicle gasoline engine is carried out by controlling the air quantities on the intake side with an electromechanical actuator which comprises a valve element which limits the effective intake cross section and can be moved by an electric drive element (DE-OS 29 49 884).
  • a lifting magnet serves as the drive element, which can adjust a piston in a cylinder against the force of a spring.
  • the solenoid is loaded with an electrical variable, the control voltage, as a function of the difference between the actual idling speed and the target idling speed, in order to correct this difference by influencing the intake cross section.
  • the control voltage is formed as pure direct current, for which a differential amplifier can be used.
  • the direct voltage drives a direct current in the electromagnet or the lifting magnet, which generates a power loss with the coil resistance, which is converted into heat.
  • the power loss increases with increasing Number of turns and decreasing wire cross-section and limits the usable force generated by it for given dimensions of the electromagnet.
  • the object of the present invention is therefore to create an electrical arrangement for regulating the idle speed of an internal combustion engine of the type mentioned at the outset, in which a compact electromagnet can be operated with only a small power loss for generating a large force usable for the actuator.
  • the electromagnet is thus supplemented with a capacitor connected in parallel to form a parallel resonant circuit.
  • the parallel resonant circuit is operated with a special control voltage, which has a sinusoidal component with a frequency substantially equal to that Has resonance frequency of the parallel resonant circuit.
  • the sine component is superimposed on a DC component, the amount of which is equal to the amplitude of the sine wave.
  • the amplitude and the DC voltage component are preferably controlled as a function of the difference between the actual idling speed and the target idling speed.
  • the actuating voltage contains a DC component that is superimposed on the sinusoidal excitation .
  • the direct voltage component introduces the active power into the parallel resonant circuit, which is consumed by damping the coil resistance. This maintains the oscillating state of the parallel resonant circuit.
  • the effective power loss caused by the hysteresis losses in the electromagnet is reduced, since due to the DC component instead of complete hysteresis loops, only Rayleigh loops in a quadrant recognize the hysteresis be passed through the line. The magnetic losses are therefore reduced.
  • the eddy current losses are also reduced, so that the total undesirable heating due to direct and alternating voltage components is low for given coil properties.
  • the coil is preferably operated below the saturation limit.
  • a valve housing 1 is provided with a cylinder 2 in which a piston 3 is displaceable to regulate the idling speed.
  • the piston forms a gap seal with its piston skirt and the inside of the cylinder.
  • lateral slots 5 are formed in the cylinder, which are more or less covered by the piston skirt.
  • the slots open into an annular channel 6.
  • the housing with the cylinder forms a gas path for air flow from an inlet side 7 via the slots 5 and the annular channel 6 to the suction side 8 on the connector 9, see line 10.
  • the connector 9 opens into an intake line 11 with a throttle cap 12.
  • a lifting magnet 13 serves as an electromagnet, which is connected to the piston via a lifting rod 14 and adjusts it against the force of a spring 15.
  • the lifting magnet or electromagnet 13 is connected in parallel to a capacitor 16, the terminals 17 and 18 of which are also connected to an actuating voltage source (not shown).
  • the control voltage is output by a controller output block 19 - see FIG. 2.
  • the control voltage depends on the control deviation xw, which is a measure of the difference between the actual idling speed and the target idling speed.
  • 2 shows the parallel resonant circuit, which the capacitor 16 with the capacitance C forms with the electromagnet or solenoid 13, and its substitute sizes
  • the coil current which is not shown in FIG. 3, is lagged by approximately ⁇ / 2 to the sine wave.
  • both the direct voltage component and the alternating voltage component of the actuating voltage in the electromagnet or lifting magnet 13 cause only a slight heating, since active power, hysteresis and eddy current losses are low.

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Abstract

In einer elektrischen Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftstoffmotors durch Beeinflussung der Füllung mit einem elektromechanischen Stellglied, welches einen mit einer Drehzahl-abhängigen Stellspannung gespeisten Elektromagneten aufweist, wird der Elektromagnet (13) mit einem Kondensator (16) zu einem Parallelschwingkreis ergänzt. Der Parallelschwingkreis wird mit einer Stellspannung betrieben, die einen sinusförmigen Anteil mit einer Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz aufweist. Der Sinusanteil ist einer Gleichspannungskomponente überlagert, deren Betrag gleich der Amplitude der Sinusschwingung ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftstoffmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
  • Bei einer derartigen bekannten Anordnung wird beispielsweise die Leerlaufdrehzahl eines Kraftfahrzeug-Ottomotors durch Steuerung der Luftmengen auf der Ansaugseite mit einem elktromechanischen Stellglied durchgeführt, welches ein den wirksamen Ansaugquerschnitt begrenzendes, durch ein elektrisches Antriebsglied bewegbares Ventilelement umfaßt (DE-OS 29 49 884). Als Antriebselement dient insbesondere ein Hubmagnet, der einen Kolben in einem Zylinder entgegen der Kraft einer Feder verstellen kann. Der Hubmagnet wird mit einer elektrischen Größe, der Stell-Spannung, in Abhängigkeit von der Differenz der Ist-Leerlaufdrehzahl zu der Soll-Leerlaufdrehzahl beaufschlagt, um diese Differenz durch Beeinflussung des Ansaugquerschnittes auszuregeln. Hierzu wird die Stell-Spannung als reiner Gleichstrom gebildet, wozu ein Differenzverstärker dienen kann. - Durch die Gleichspannung wird jedoch in dem Elektromagneten bzw. dem Hubmagneten ein Gleichstrom getrieben, der mit dem Spulenwiderstand eine Verlustleistung erzeugt, die in Wärme umgesetzt wird. Die Verlustleistung wächst mit steigender Windungszahl und abnehmendem Drahtquerschnitt und begrenzt bei gegebenen Abmessungen des Elektromagneten die von ihm erzeugte nutzbare Kraft.
  • Um die Verlustleistung in den Bauelementen des Reglers zu veringern, welcher die drehzahlabhängige Stell-Spannung erzeugt, kann daran gedacht werden, als Stell-Spannung eine getaktete bipolare Gleichspannung zu bilden, so daß die die Spannung erzeugenden Verstärkerelemente in dem Regler nur vollständig geöffnet oder gesperrt sein müssen und so eine geringe Verlustleistung umsetzen. Wenn der Elektromagnet mit dieser getakteten Gleichspannung beaufschlagt wird, verläuft der Strom zwar nach Maßgabe von Ausgleichsfunktionen um einen Gleichstrom-Mittelwert, auch hier verbraucht aber der ohmsche Widerstand der Spule:.Wirkleistung, die in thermische Energie nutzlos umgesetzt wird und die durch den Elektromagneten erzeugbare Kraft begrenzt.
  • Zu der vorliegenden Erfindung gehört daher die Aufgabe, eine elektrische Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftstoffmotors der eingangs genannten Gattung zu schaffen, in der ein kompakter Elektromagnet zur Erzeugung einer großen für das Stellglied nutzbaren Kraft mit nur einer geringen Verlustleistung betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebene Erfindung gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird also der Elektromagnet mit einem parallel geschalteten Kondensator zu einem Parallelschwingkreis ergänzt. Der Parallelschwingkreis wird mit einer besonderen Stell-Spannung betrieben, die einen sinusförmigen Anteil mit einer Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises aufweist. Der Sinusanteil ist einer Gleichspannungskomponente überlagert, deren Betrag gleich der Amplitude der Sinusschwingung ist. Vorzugsweise werden die Amplitude und der Gleichspannungsanteil in Abhängigkeit von der Differenz der Ist-Leerlaufdrehzahl zu der Soll-Leerlaufdrehzahl gesteuert.
  • Bei dieser Anordnung entsteht in dem in Resonanz befindlichen Parallelschwingkreis ein hoher Blindstrom, der ein entsprechend starkes Magnetfeld aufbaut, das für die durch das Stellglied nutzbare Kraft maßgebend ist. Die zeitliche Veränderung des Magnetfeldes bzw. dessen Schwingen ist in dem vorliegenden Anwendungsfall besonders vorteilhaft, da hierdurch die mechanische Hysterese des elektromechanische Stellgliedes gemindert bzw. überwunden werden kann und die Regelgenauigkeit gefördert wird. Da der in der Spule des Elektromagneten fließende Strom zu der Stellspannung nahezu um π/2 Phasen-verschoben ist, entsteht trotz des hohen Stromes nur eine geringe Wirkleistung an dem ohmschen Widerstand der Spule. Die Verlustwärme ist entsprechend gering. - Da in dem vorliegenden Resonanzfall des Parallelschwinkreises dessen Scheinwiderstand sehr groß ist und trotzdem mit verhältnismäßig geringen Stellspannungen, die wenig aufwendig mit dem Regler erzeugt werden können, groß Stellkräfte erzielt werden sollen, enthält die Stell-Spannung eine Gleichspannungskomponente, die der sinusförmigen Anregung überlagert ist. Die Gleichspannungskomponente führt die Wirkleistung in den Parallelschwingkreis ein, die durch die Dämpfung des Spulenwiderstands verbraucht wird. Dadurch wird der schwingende Zustand des Parallelschwingkreises aufrechterhalten. Außerdem wird der durch die Hystereseverluste in dem Elektromagneten bedingte Wirkleistungsverlust.herabgesetzt, da infolge des Gleichstromanteils statt vollständiger Hystereseschleifen nur Rayleighschleifen in einem Quadranten der Hysteresekennlinie durchfahren werden. Die Ummagnetisierungsverluste sind also herabgesetzt. Die Wirbelstromverluste sind ebenfalls verringert, so daß die gesamte unerwünschte Erwärmung durch Gleich- und Wechselspannungsanteil bei gegebenen Spuleneigenschaften niedrig ist. Die Spule wird vorzugsweise unterhalb der Sättigungsgrenze betrieben.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung mit drei Figuren Bezug genommen. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des elektromechanischen Stellglieds mit einer Ventilanordnung im Ansaugteil eines Verbrennungskraftstoffmotors, in dem parallel zu einem Hubmagneten ein Kondensator geschaltet ist,
    • Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Hubmagneten mit dem Kondensator und
    • Fig. 3 die Kurvenform der Stell-Spannung.
  • In Figur 1 ist zur Regelung der Leerlaufdrehzahl ein Ventilgehäuse 1 mit einem Zylinder 2 vorgesehen, in dem ein Kolben 3 verschiebbar ist. Der Kolben bildet mit seinem Kolbenmantel und der Innenseite des Zylinders eine Spaltdichtung. Im Bewegungsbereich des Kolbenmantels 4 sind in dem Zylinder seitliche Schlitze 5 ausgeformt, die durch den Kolbenmantel mehr oder weniger abgedeckt werden. Die Schlitze münden in einen Ringkanal 6. Durch das Gehäuse mit dem Zylinder wird ein Gasweg für eine Luftströmung von einer Einlaßseite 7 über die Schlitze 5 und den Ringkanal 6 zu der Ansaugseite 8 an dem Stutzen 9 gebildet, siehe Zeile 10. Der Stutzen 9 mündet in eine Ansaugleitung 11 mit einer Drosselkappe 12.
  • Zur Verstellung des Kolbens dient ein Hubmagnet 13 als Elektromagnet, der über eine Hubstange 14 mit dem Kolben verbunden ist und diesen entgegen der Kraft einer Feder 15 verstellt.
  • Der Hubmagnet bzw. Elektromagnet 13 ist parallel an einen Kondensator 16 angeschlossen, dessen Klemmen 17 und 18 außerdem mit einer nicht dargestellten Stell-Spannunsquelle in Verbindung stehen.
  • Die Stell-Spannung wird von einem Regler-Ausgangsblock 19 - siehe Fig. 2 - abgegeben. Die Stell-Spannung hängt dabei von der Regelabweichung xw ab, die ein Maß für die Differenz der Ist-Leerlaufdrehzahl zu der Soll-Leerlaufdrehzahl ist. Aus Fig. 2 ergibt sich der Parallelschwingkreis, den der Kondensator 16 mit der Kapazität C mit dem Elektromagneten bzw. Hubmagneten 13 bildet, dessen Ersatzgrößen
  • als Induktivität L und Wirkwiderstand Ri dargestellt sind. Dieser Parallelwiderstand ist auf Resonanz mit dem Sinusanteil der Stell-Spannung abgestimmt.
  • Die Kurvenform der Stell-Spannung geht aus Fig. 3 hervor. Sie hat die Form:
    u = û (1 + sin ω t) das heißt, sie ist eine Sinusschwingung, die bei dem Gleichspannungs-Mittelwert ü schwingt. Der Spulenstrom, der in Fig. 3 nicht dargestellt ist, liegt um annähernd π/2 zu der Sinusschwingung nacheilend verschoben. Wie oben dargelegt, rufen sowohl der Gleichspannungsanteil als auch der Wechselspannungsanteil der Stellspannung in dem Elektromagneten bzw. Hubmagneten 13 nur eine geringe Erwärmung hervor, da Wirkleistungs-, Hysterese- und Wirbelstromverluste gering sind.

Claims (1)

  1. Elektrische Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftstoffmotors durch Beeinflussung der Füllung mit einem elektromechanischen Stellglied, das einen mit einer drehzahlabhängigen Stell-Spannung gespeisten Elektromagneten aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Stell-Spannung der Form
    Figure imgb0001
    vorgesehen ist, wobei ω die Kreisfrequenz und û der drehzahlabhängige Maximalwert ist, und daß parallel zu dem Elektromagneten ein Kondensator einer so großen Kapazität angeordnet ist, daß dieser mit dem Hubmagneten einen Parallelschwingkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz im wesentlichen gleich ω ist.
EP83110206A 1982-11-13 1983-10-13 Elektrische Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungskraftmotors Expired EP0108936B1 (de)

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DE19823242043 DE3242043A1 (de) 1982-11-13 1982-11-13 Elektrische anordnung zur regelung der leerlaufdrehzahl eines verbrennungskraftstoffmotors

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