EP1331380A2 - Stelleinrichtung für eine Drosselklappe - Google Patents

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EP1331380A2
EP1331380A2 EP02027233A EP02027233A EP1331380A2 EP 1331380 A2 EP1331380 A2 EP 1331380A2 EP 02027233 A EP02027233 A EP 02027233A EP 02027233 A EP02027233 A EP 02027233A EP 1331380 A2 EP1331380 A2 EP 1331380A2
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EP
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spring
throttle valve
force
actuating device
restoring force
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/08—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits
    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps
    • F02D9/1065—Mechanical control linkage between an actuator and the flap, e.g. including levers, gears, springs, clutches, limit stops of the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D9/02—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning induction conduits
    • F02D2009/0201—Arrangements; Control features; Details thereof
    • F02D2009/0269—Throttle closing springs; Acting of throttle closing springs on the throttle shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D9/02—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning induction conduits
    • F02D2009/0201—Arrangements; Control features; Details thereof
    • F02D2009/0272—Two or more throttles disposed in series

Definitions

  • the invention relates to a Actuator for adjusting a throttle valve Internal combustion engine with progressive force / path conversion between Actuator and throttle valve with a return spring.
  • Throttle valves are usually adjusted by Internal combustion engines by means of an actuating device against one Restoring force generating spring, with additional system losses, which to be overcome essentially by friction losses are.
  • the required actuation force increases with increasing Throttle valve opening angle according to the spring characteristic of Return spring - possibly converted by a Actuating device with kinematics connecting the throttle valve - too.
  • Such a moving kinematics between the actuator and throttle valve also requires a force conversion, which causes disadvantageously because of the increasing throttle opening for the operating force the lever becomes less favorable the operating force in addition to the increase in actuation force due to the spring characteristic elevated.
  • the task therefore arises of an actuating device mentioned at the beginning which is kinematics between the actuator and the throttle valve for progressive force / path conversion in particular, whereby with increasing throttle opening angle next to the a progressive actuation force increase due to spring characteristics occurs in such a way that cheap, with simple means, and takes up only a small amount of space, good meterability in the lower load lever area with low actuation force in the upper load lever area is reached.
  • the actuating device should continue to be have high operational reliability and be flexible in use.
  • a throttle valve restoring force a first and a second Spring provided, the forces of which correspond to the parallel connection of the Add springs over the entire throttle opening angle curve, wherein at least part of the increase in actuation force caused by the first spring is compensated by the second spring.
  • the first spring advantageously produces in the area of maximum Throttle valve opening one to overcome the system (friction) losses sufficient restoring force, which is significantly less than that required restoring force with a conventional actuating device, at which is the restoring force for a complete closing of the throttle valve must suffice.
  • the Restoring force of the second spring with increasing throttle valve opening from, being a maximum in the area of small throttle valve opening angles has and at least in the area of maximum throttle valve opening is almost zero, so that its contribution to the restoring force is decisive in Small throttle opening angle range
  • the first spring is a Torsion or spiral spring and the second spring is a tension or compression spring.
  • Figure 1 shows an arrangement 10 of the springs 12, 13 when closed Throttle valve, the direction of the arrow indicates a movement in the open direction.
  • the throttle valve not shown in this illustration, is non-rotatable on the Shaft 16 is arranged, with which a cam plate 11 is also rotatably fixed connected is.
  • the cam plate 11 is in the present case by means of one in one Cable casing 15 guided cable 14 actuated, one axial Rope movement over the effective one at a time Cam radius according to a lever for Cam disc rotation axis 16 a rotational movement of the pulley 11 causes.
  • the restoring force for closing the throttle valve is determined by the first Spring 12 and the second spring 13 generated, the forces of which correspond add their parallel connection.
  • the first spring 12 is in the Embodiment a torsion spring made of conventional spring steel, in which the Ends of the cylindrical wound spring wire on the circumference of the Diameter are bent as a leg, so that the spring through a Twisting about the spring axis is resilient.
  • the second spring 13 is a tension or compression spring, whose point of attack 17 on the pulley 11 is selected so that at fully closed throttle valve a maximum and at fully throttle open - if point 17 is on axis D - no restoring force is generated.
  • the exemplary embodiment shown are further Realizations of a progressive kinematics between Actuator and throttle valve under the present Invention possible as well as further arrangements and voting of Springs 12 and 13 in cooperation with differently designed Cam discs 11. This is of particular importance because of Design of the cam plate 11 and the additively formed restoring force on. almost any operating force curve over the Throttle valve opening angle is possible. If necessary, it is in this Contextual, springs with progressive, linear and / or to combine degressive characteristics and / or the point of attack 17 To change the spring 13 so that the force of the spring 13 (see Figure 2, 24) a zero crossing or a certain one via the throttle valve angle Location of a maximum or minimum is reached.
  • the actuation of the throttle valve can, as shown, by means of a Cable 14 take place, but it is also appropriate to use a linkage Power transmission or, for example, an electric motor or to provide hydraulic actuator throttle actuation, which is controlled by a controller.
  • actuation forces 21, 22, 23, 24 are qualitative over the Throttle valve angle shown in diagram 20, where 0 ° corresponds to one fully closed and 90 ° one fully open Throttle.
  • the minimum restoring force (21, 22) at point E at complete closed throttle valve arises from the need for a safe complete closing in the area of small throttle opening angles ensure, so that from a restoring force generation according to the Characteristic curve 21 a correspondingly high actuation force at complete open throttle valve results - a progressive change between Actuator and throttle valve would add this force increase further.
  • Another advantage is the redundancy caused by the two springs the force distribution over several springs also allows a special one flexible use of the control device.

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Abstract

Stelleinrichtung zum Verstellen einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine mit progressiver Kraft-/Wegwandlung zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe mit einer ersten Rückstellfeder, wobei der progressivitätsbedingte Betätigungskraftanstieges mittels einer zweiten Rückstellfeder kompensiert wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Stelleinrichtung zum Verstellen einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine mit progressiver Kraft-/Wegwandlung zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe mit einer Rückstellfeder.
Üblicherweise erfolgt die Verstellung von Drosselklappen von Verbrennungsmotoren mittels einer Betätigungseinrichtung gegen eine eine Rückstellkraft erzeugende Feder, wobei zusätzlich Systemverluste, welche im wesentlichen durch Reibungsverluste dargestellt werden, zu überwinden sind. Dabei nimmt die erforderliche Betätigungskraft mit zunehmenden Drosselklappenöffnungswinkel entsprechend der Federkennlinie der Rückstellfeder - gegebenenfalls gewandelt durch eine die Betätigungseinrichtung mit der Drosselklappe verbindende Kinematik - zu.
Um insbesondere im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel eine gute Dosierbarkeit zu erreichen, ist es bekannt, zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe eine Kinematik zur Wegwandlung vorzusehen, so dass bei kleinen Drosselklappenöffnungswinkeln eine bestimmte Betätigung der Betätigungseinrichtung eine verhältnismäßig kleine Änderung des Drosselklappenöffnungswinkels und bei großen Drosselklappenöffnungswinkeln eine große Änderung bewirkt. Hierzu ist beispielsweise im Falle einer Seilzugbetätigung eine zur Drosselklappenwelle konzentrisch angeordnete Kurvenscheibe vorgesehen, welche für den Seilangriff bei kleinen Drosselklappenöffnungswinkeln einen großen wirksamen Hebel und mit zunehmendem Drosselklappenöffnungswinkel einen kleiner werdenden wirksamen Hebel aufweist.
Eine derartige wegwandelnde Kinematik zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe bedingt auch eine Kraftwandlung, wodurch sich nachteiliger weise aufgrund des mit zunehmender Drosselklappenöffnung für die Betätigungskraft ungünstiger werdenden Hebel die Betätigungskraft zusätzlich zu dem ohnehin federkennlinienbedingten Betätigungskraftanstieg erhöht.
Der Notwendigkeit folgend, einerseits zwar eine gute Dosierbarkeit im Bereich geringer Drosselklappenöffnungswinkel zu erlangen, andererseits jedoch einen zu großen Anstieg der erforderlichen Betätigungskraft im Bereich großer Drosselklappenöffnungswinkel zu vermeiden, schlägt beispielsweise die DE 34 03 760 C2 vor, die Wegwandlung zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe von der Kraftwandlung zu entkoppeln, indem eine Übersetzungseinrichtung für die Rückstellfeder und eine weitere Übersetzungseinrichtung zur Erzeugung der Progression vorgesehen sind; zu diesem Zweck sind zwei Kurvenscheiben vorhanden.
Die Anordnung gemäß der DE 34 03 760 C2 ist sowohl in Bezug auf die Montage als auch bezüglich der Herstellung sehr aufwändig und somit kostspielig, sie benötigt einen großen Bauraum und stellt keine flexible Lösung dar.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine eingangs genannte Stelleinrichtung welche zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe eine Kinematik zur insbesondere progressiven Kraft-/Wegwandlung aufweist, wodurch mit zunehmendem Drosselklappenöffnungswinkel neben dem federkennlinienbedingten ein progressivitätsbedingter Betätigungskraftanstieg auftritt derart weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln günstig, und nur einen geringen Bauraum beanspruchend, eine gute Dosierbarkeit im unteren Lasthebelbereich bei gleichzeitig geringer Betätigungskraft im oberen Lasthebelbereich erreicht wird. Die Stelleinrichtung soll weiterhin eine hohe Betriebssicherheit aufweisen und flexibel verwendbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei der zugrundeliegende Gedanke die Kompensation insbesondere des progressivitätsbedingten Betätigungskraftanstieges umfasst.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zur Erzeugung einer Drosselklappenrückstellkraft eine erste und eine zweite Feder vorgesehen, deren Kräfte sich entsprechend der Parallelschaltung der Federn über den gesamten Drosselklappenöffnungswinkelverlauf addieren, wobei zumindest ein Teil des durch die erste Feder bedingten Betätigungskraftanstieges durch die zweite Feder kompensiert wird. Dabei reichen die addierten Rückstellkräfte der ersten und der zweiten Feder im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel wenigstens aus, ein vollständiges Schließen der Drosselklappe zu bewirken.
Vorteilhafter weise erzeugt die erste Feder im Bereich maximaler Drosselklappenöffnung eine zur Überwindung der System(reibungs)verluste ausreichende Rückstellkraft, welche deutlich geringer ist, als die erforderliche Rückstellkraft bei einer herkömmlichen Stelleinrichtung, bei welcher die Rückstellkraft für ein vollständiges Schließen der Drosselklappe ausreichen muss.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Rückstellkraft der zweiten Feder mit zunehmender Drosselklappenöffnung ab, wobei sie im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel ein Maximum aufweist und im Bereich maximaler Drosselklappenöffnung zumindest annähernd null ist, so dass ihr Beitrag zur Rückstellkraft maßgeblich im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel liegt
Als besonders zweckmäßig ist es anzusehen, wenn die erste Feder eine Dreh- oder Spiralfeder und die zweite Feder eine Zug- oder Druckfeder ist.
Im folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
Figur 1
eine Anordnung der Federn bei geschlossener Drosselklappe sowie
Figur 2
Betätigungskräfte über den Drosselklappenwinkel im Diagramm.
Figur 1 zeigt eine Anordnung 10 der Federn 12, 13 bei geschlossener Drosselklappe, die Pfeilrichtung deutet eine Bewegung in Offenrichtung an. Die in dieser Darstellung nicht gezeigte Drosselklappe ist drehfest auf der Welle 16 angeordnet, mit welcher ebenfalls drehfest eine Kurvenscheibe 11 verbunden ist. Die Kurvenscheibe 11 wird vorliegend mittels eines in einem Seilzughüllrohr 15 geführten Seilzuges 14 betätigt, wobei eine axiale Seilbewegung über den bei einer Bewegung jeweils wirksamen Kurvenscheibenradius entsprechend einem Hebel zur Kurvenscheibendrehachse 16 eine rotatorische Bewegung der Seilscheibe 11 bewirkt. Bei vollständig geschlossener Drosselklappe wirkt ein maximaler Hebel mit einem Scheibenradius A, beim Öffnen der Drosselklappe nimmt der wirksame Scheibenradius stetig ab, bis bei vollständig geöffneter Drosselklappe ein minimaler Radius B wirkt. Entsprechend der Ausgestaltung der Kurvenscheibe 11 bedingt demnach eine bestimmte Seilbewegung bei kleinen Drosselklappenöffnungswinken eine geringe Drosselklappenbewegung, wodurch sich eine gute Dosierbarkeit im unteren Lastbereich ergibt, im oberen Lastbereich, in dem das Verhalten weniger sensibel ist, bedingt dieselbe Seilbewegung eine größere
Drosselklappenbewegung.
Die Rückstellkraft zum Schließen der Drosselklappe wird durch die erste Feder 12 und die zweite Feder 13 erzeugt, deren Kräfte sich entsprechend ihrer Parallelschaltung addieren. Die erste Feder 12 ist im Ausführungsbeispiel eine Drehfeder aus üblichem, Federstahl, bei der die Enden des zylindrisch gewickelten Federdrahtes am Umfang des Durchmessers als Schenkel abgebogen sind, so dass die Feder durch ein Verdrehen um die Federachse belastbar ist. Alternativ kann eine beispielsweise aus kaltgewalztem Stahlband nach Art einer archimedischen Spirale mit gleichem Windungsabstand hergestellte Spiralfeder verwendet werden, wobei der Windungssinn schließend ist und die Feder innen und außen eingespannt ist. Die zweite Feder 13 ist eine Zug- oder Druckfeder, deren Angriffspunkt 17 an der Seilscheibe 11 so gewählt ist, dass bei vollständig geschlossener Drosselklappe eine maximale und bei vollständig geöffneter Drosselklappe - wenn sich Punkt 17 auf der Achse D befindet - keine Rückstellkraft erzeugt wird.
Unbenommen des dargestellten Ausführungsbeispiels sind weitere Realisierungen einer progressiven Kinematik zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ebenso wie weitere Anordnungen und Abstimmungen der Federn 12 und 13 im Zusammenwirken mit anders gestalteten Kurvenscheiben 11. Dem kommt besondere Bedeutung zu, da durch Gestaltung der Kurvenscheibe 11 und der additiv gebildeten Rückstellkraft ein. nahezu beliebiger Betätigungskraftverlauf über den Drosselklappenöffnungswinkel möglich ist. Gegebenenfalls ist es in diesem Zusammenhang zweckmäßig, Federn mit progressiven, linearen und/oder degressiven Kennlinien zu kombinieren und/oder den Angriffspunkt 17 der Feder 13 so zu verändern, dass im Kraftverlauf der Feder 13 (siehe Figur 2, 24) über den Drosselklappenwinkel ein Nulldurchgang oder eine bestimmte Lage eines Maximums oder Minimums erreicht wird.
Die Betätigung der Drosselklappe kann wie dargestellt mittels eines Seilzuges 14 erfolgen, jedoch ist es ebenso zweckmäßig, ein Gestänge zur Kraftübertragung oder eine beispielsweise elektromotorische oder hydraulische aktuatorische Drosselklappenbetätigung vorzusehen, welche mittels einer Steuerung gesteuert wird.
In Figur 2 sind Betätigungskräfte 21, 22, 23, 24 qualitativ über den Drosselklappenwinkel im Diagramm 20 dargestellt, dabei entspricht 0° einer vollständig geschlossenen und 90° einer vollständig geöffneten Drosselklappe.
Den Verlauf der Betätigungskraft ohne Progression und Kompensation gemäß dem Stand der Technik zeigt 21, dabei entspricht der lineare Kraftanstieg der linearen Federkennlinie. Die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Federn und progressivem Übertragungsglied ist durch die Kurven 22, 23 und 24 wiedergegeben, wobei 23 die durch die erste Feder (Figur 1: 12) und 24 die durch die zweite Feder (Figur 1: 13) erzeugte Rückstellkraft zeigt; die resultierende Kraft ist mit der Kurve 22 gezeigt.
Die minimale Rückstellkraft (21, 22) im Punkt E bei vollständig geschlossener Drosselklappe ergibt sich aus der Notwendigkeit, ein sicheres vollständiges Schließen im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel zu gewährleisten, so dass daraus bei einer Rückstellkrafterzeugung gemäß der Kennlinie 21 eine entsprechend hohe Betätigungskraft bei vollständig geöffneter Drosselklappe ergibt - eine progressive Wandlung zwischen Betätigungselement und Drosselklappe würde diese Kraft zusätzlich noch weiter erhöhen.
Mittels der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung mit zwei Federn 12, 13 wird bei geschlossener Drosselklappe die erforderliche Rückstellkraft in Punkt E bereitgestellt, trotz einem durch die Progressivität (Krümmung der Kurve 23) bedingten zusätzlichen Kraftanstieg mit zunehmender Drosselklappenöffnung wird jedoch eine um den Betrag a verminderte Betätigungskraft bei vollständig geöffneter Drosselklappe erreicht, indem der durch die Feder 12 bedingte Kraftanstieg (Kennlinie 23) zumindest teilweise durch die zweite Feder 13 (Kennlinie 24), die eine mit zunehmenden Drosselklappenöffnungswinkel abnehmende Rückstellkraft zur Gesamtrückstellkraft beiträgt, kompensiert wird. Vorliegend wird eine Anordnung der Feder 13 gewählt, welche einen Nulldurchgang F der Kennlinie 24 bei vollständig geöffneter Drosselklappe bedingt.
Als weiterer Vorteil stellt sich die durch die zwei Federn bedingte Redundanz dar, die Kraftaufteilung auf mehrere Federn erlaubt zudem eine besonders flexible Verwendung der Stelleinrichtung.

Claims (9)

  1. Stelleinrichtung zum Verstellen einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine mit progressiver Kraft-/Wegwandlung zwischen Betätigungseinrichtung und Drosselklappe mit einer ersten Rückstellfeder, gekennzeichnet durch eine Kompensation des Betätigungskraftanstieges.
  2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Rückstellkraft eine erste und eine zweite Feder (12, 13) vorgesehen sind.
  3. Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des durch die erste Feder (12) bedingten Betätigungskraftanstieges durch die zweite Feder (13) kompensiert wird.
  4. Stelleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die addierten Rückstellkräfte der ersten und der zweiten Feder (12, 13, 22) im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel ausreichen, ein vollständiges Schließen der Drosselklappe zu bewirken.
  5. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Feder (12) im Bereich maximaler Drosselklappenöffnung eine zur Überwindung der Systemverluste ausreichende Rückstellkraft erzeugt.
  6. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft der zweiten Feder (13, 24) mit zunehmender Drosselklappenöffnung abnimmt.
  7. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft der zweiten Feder (13, 24) ein Maximum im Bereich kleiner Drosselklappenöffnungswinkel aufweist.
  8. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft der zweiten Feder (13, 24) im Bereich maximaler Drosselklappenöffnung zumindest annähernd null ist.
  9. Stelleinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Feder (12) eine Dreh- oder Spiralfeder und die zweite Feder (13) eine Zug- oder Druckfeder ist.
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