DE3039613C2

DE3039613C2 - System zum Regeln der Leerlaufdrehzahl von Ottomotoren

Info

Publication number: DE3039613C2
Application number: DE3039613A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 4060 Viersen Baumgartner; Eckehard Dipl.-Ing. 4150 Krefeld Schmitz
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1980-10-21
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1983-11-17
Also published as: FR2492459A1; DE3039613A1; GB2085522B; FR2492459B1; US4445475A; GB2085522A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Regeln der Leerlaufdrehzahl von Ottomotoren, bei dem in einer die Drosselklappe überbrückenden Bypassleitung von einem aus einem Ventilkegel und einem Ventilsitz bestehenden Ventil zumindest ein Teil der dem Motor - zugeführten Luftmenge pneumatisch von den Fluiddrücken stromauf und stromab des Ventils, sowie dazu überlagert elektronisch, gesteuert wird.

Vorrichtungen der genannten Art dienen dem Ausgleich verschiedenster Einflüsse, denen ein Ottomotor im Leerlaufzustand unterliegen kann. Sie sorgen für eine gleichbleibende Drehzahl des Motors und verhindern ein »Absterben« bei plötzlichen Laständerungen. Es sind z. B. aus der DE-OS 29 27 749 Verfahren und Vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen die dem Motor zugeführte Luftmesige in Abhängigkeit vom

*o Unterdruck im Ansaugkrümmer über ein mit diesem Druck beaufschlagtes Ventil so beeinflußt wird, daß bei einer Belastung des Motors im Leerlaufbetrieb der öffnungsquerschnitl des Ventils vergrößert und bei einer Entlastung verringert wird. Die so dem Motor zugeführte Luft- bzw. Gemischmenge wird auf diese Weise den jeweiligen Lastzuständen des Motors selbsttätig angepaßt.

Des weiteren sind Leerlaufreguliereinrichtungen mit ausschließlich elektronischer Beeinflussung der Drehzahl des Motors bekannt, bei denen Abweichungen von einem vorgegebenen Sollwert mit Hilfe eines elektronischen Reglers, der über ein elektronisches oder elektromagnetisches Stellglied die dem Motor zugeführte Luft- bzw. Gemischmenge verändert, ausgeglichen werden.

Die rein pneumatischen Leerlaufreguliereinrichtungen sind zwar relativ einfach im Aufbau und zeigen auch ein einigermaßen günstiges Regelverhalten, jedoch ist die einwandfreie Funktion nicht mehr sichergestellt, weiin z. B. aufgrund von Alterungs· oder Verschleißer" scheinungen erhöhte Stellwiderstände auftreten oder sich der Unterdruck im Saugrohr z. B. durch Veränderung des Zündzeitpunktes oder Undichtigkeit der Motoreinlaßventile verändert. Ebenso wird der Einfluß veränderten Luftdruckes — z. B. als Folge unterschiedlicher geodätischer Höhen — sowie unterschiedlicher Ansauglufttemperaturen und Einlaufzustände des Motors etc. nicht ausgeglichen. Elektronische Leerlaufregu-

liereinrichtungen können zwar die gestellten Anforderungen auch unter den genannten kritischen Betriebsbedingungen erfüllen, jedoch ist ~ der erforderliche Bauaufwand im Vergleich zu den pneumatischen Regulierventilen äußerst hoch.

Aus der deutschen Offenlcgungschrift 25 34 730 ist ein Verfahren zur geregelten Abgasrückführung an Verbrennungsmotoren bekannt, bei dem das rückzuführende Medium durch eine konvergierende und dann divergierende Düse geleitet wird-diese Düse ist derart to ausgelegt, daß das sie durchströmende Fluid in der Einschnürung der Düsen Schallgeschwindigkeit erreicht und daß die wirksame Fläche der Einschnürung der Düse gesteuert wird, indem in sie ein Ventilkörper eingesetzt ist, welcher über ein Regelsystem axial zur is Düse bewegt werden kann. Dieses bekannte Ventil wird aber von einem System gesteuert, das unabhängig von den Druckverhältnissen stromauf und stromab des Ventils arbeiten. Daher bleiben, bei einer bestimmten Ventilstellung, die dieses Ventil passierenden Gasmengen ebenfalls von diesen Drückverhältnissen unabhängig. Insoweit handelt es sich hier also um ein Stuier- und kein Regelsystem.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden (GB 20 12 997 A), bei-einem Reguliersystem der gattungsgemäßen Art ein an sich bekanntes, pneumatisch gesteuertes Ventil in der Bypassleitung zu verwenden, wobei' die eine Druckkammer des pneumatischen Stellgliedes mit dem Druck aus dem Bereich stromauf der Drosselklappe beaufschlagt wird, während die andere Druckkammer einerseits wie üblich mit dem Druck stromab der Drosselklappe beaufschlag* wird, während die andere Druckkammer einerseits wie übüch mit dem Druck stromab der Drosselklappe beaufschlagt wird und andererseits ein elektromagnetisch geschaltetes Ventil die Zufuhr atmosphärischer Luft in die letztgenannte Druckkammer gestattet. Das elektromagnetische Ventil wird immer dann geöffnet, wenn die Leerlaufdrehzahl unter einen vorgegebenen Wert fällt oder die Beladung des Motors durch Zuschalten eines Energieverbrauchers erhöht wird.

Es hat sich aber herausgestellt, daß ein solches System die oben genannten Anforderungen nur zum Teil erfüllen kann und vor allem das Regelverhalten des reinen Pneumatikteils noch nicht so günstig ist, daß -π dieses von Hause aus bereits in der Lage wäre, den größten Teil der Regelaufgaben zu übernehmen, so daß dazu ein umfangreicher elektronischer Aufwand erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe 1» zugrunde, ein System der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Einfachheit pneumatischer Leerlaufreguliersysteme in möglichst weitem Umfang genutzt wird und ein elektronischer Eingriff nur dann vorgenommen wird, wenn ein rein pneumatisches System die gestellte Aufgabe nicht mehr lösen kann. Der Bauaufwand an Elektronik soll also auf das unbedingt notwendige Maß beschränkt bleiben und es sollen weiterhin alle Funktionen vom reinen Pneumaltkteil ausgeführt werden, die dieser ausreichend erfüllen *>o kann, während der elektronische Regeleingriff nur eine Überlagerung des pneumatischen sein soll. Dabei soll die Güte des gesamten Regclsystems gegenüber dem Stand der Technik verbessert und auch die weiter oben genannten Einflüsse bcherrschbar werden, die bisher f>5 nur unzureichend oder mit hohem elektronischen Aufwand gemeistert were in konnten. Hierzu zahlt vor allem der Einfluß des Umgebungsdruckes.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Sitz des Ventils in Verbindung mit dem Ventilkegel als eine Lavaldüse ausgebildet ist.

Die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 15 stellen besonders vorteilhafte Lösungen und erfindungsgemäße Weiterbildungen des Regelsystems dar.

Ein besonderer Vorteil gegenüber den bekannten Ventilen besteht in den Durchflußeigenscliaften einer Lavaldüse als Bypassventil. Sofern eine solche Lavaldüse in einem Bypass zunächst so arretiert angenommen wird, daß sich eine bestimmte Leerlaufdrehzahl eingestellt hat, so führt eine Entlastung des Motors zwar zu einer Drehzahlerhöhung — und somit auch zu einer Erniedrigung des Saugrohrdruckes — aber zu keinem größeren Luftdurchsatz, da das kritische Druckverhältnis der Lavaldüse möglichst nahe beil liegen soll. Weil sich der Luftdurchsatz nicht erhöht, ist die Drehzahlerhöhung bei <ier Verwendung eines solchen Ventils nicht so groß wie bei den Ventilen gern,?*; dem Stand der Technik, die bei erhöhtem Unterdruck ?.uch größeren Luftdurchsatz bringen. Dies führt dazu, daß sich Belastungsänderungen am Motor weniger gravierend auswirken und bringt den überraschenden Vorteil, daß ein kleinerer und damit leichter zu beherrschender Regelbereich genügt.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Höhenunempfindlichkeit des Systems, da in gewissen Grenzen Schwankungen des Umgebungsdruckes ohne Sinfluß auf den Luftdurchsatz des Ventils bleiben.

Die Erfindung und ihre besonderen Vorteile sowie Ausführungsformen werden anhand der F i g. 1 näher dargelegt, die nur eine von einer Vielzahl möglicher Ausführungsformen darstellt.

Stromauf einer in ein Saugrohr eingesetzten Drosselklappe Ϊ herrscht in aller Regel atmosphärischer Druck (Pn), oder ein vergleichbarer Druck und stromab der Saugrohrdruck (P_s) oder entsprechend ebenfalls ein vergleichbarer Druck. In einer die Drosselklappe 1 überbrückenden Bypassleitung ist ein Ventil eingesetzt, das ir» Verbindung mit seinem Ventilsitz 2 und seinem Ventilkegel 3 in jeder Öffnungsstellung eine Lavaldüse bildet. Eine Schubstange 4 betätigt den Ventilkegel 3, wobei es gleichgültig ist, ob der Ventilkegel 3 dadurch in den Ventilsitz 2 — beim Schließen — hineingeschoben oder hineingeschoben oder hineingezogen wird. Die Schubstange 4 wird von einem pneumatischen Stellglied

5 betätigt, das aus einer oberen Druckkammer 6 und einer unteren Druckkammer 7 besteht. Soweit der Ventilkegel 3 in den Ventilsitz 2 hineingeschoben wird, steht die untere Druckkammer 7 über ein kalibriertes Drosselorgan 8 mit P_$ in Verbindung, d. h. daß dort ein gewisser Unterdruck ansteht. Damit dieser Unterdruck nicht sofort dazu führt, daß sich eine die Druckkammern

6 und 7 trennende Membran 9 nach unten bewegt und damit die mit der Membran 9 verbundene Schubstange 4 das Ventil 2, 3 schließt, ist die Membran 9 im allgemeinen durch eine Feder 11 abgestützt. Das Gleichgewicht zwischen Federkraft und Unterdruck ist so gewählt, bzw. einstellbar, daß der dem Unterdruck entsprechende Öffnungszustand des Ventils jeweils gewahrt bleibt. In diesem Falle wird die obere Druckkammer 6 in erster Linie mit P, beaufschlagt. Beim Einstellen des Gleichgewichtszustandes müssen die dann strömendt-.i Gasmengen ein kalibriertes Drosselorgan 12 passieren.

Wird der Ventilkegel 3 in den Ventilsitz 2 hineingezogen, so ist .die Anordnung entsprechend

umgekehrt.

Auf diese Weise wird stets erreicht, daß bei einer Erniedrigung von P_K der freie Querschnitt des Ventils 2, 3 verkleinert wird, wodurch sich der Luftdurchsat/ verringert. Außerdem ist entweder die mit P, beaufschlagte Druckkammer (6 oder 7) zusätzlich mit dem Bereich stromab der Drosselklappe 1 verbunden. Über ein in die Verbindungsleitung eingebautes Drosselorgan 13 wirkt sich auch P, auf die betreffende Druckkammer aus, so daß dort ein Mischdruck herrscht, während in der entsprechenden anderen Kammer dann vorzugsweise nur P, ansteht oder ein von dem genannten Mischdruck verschiedener zweiter Mischdruck; oder es steht die mit P, beaufschlagte Druckkammer zusätzlich über eine gedrosselte Verbindungsleitung mit der anderen Druckseite in Verbindung. Schließlich werden die Gasströme in mindestens einer der drei Verbindungsleitungen zu den Druckkammern 6 und 7 durch ein elektronisch gesteuertes Ventil 14 unterschiedlich stark gedrosselt oder getaktet.

Bei dem in der F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt für einen Arbeitspunkt der Regeleinrichtung ein Saugrohrdruck P, vor, der über die Drosselstelle 8 im unteren Druckraum 7 ansteht. Ein Mischdruck P_n, aus dem Saugrohrdruck P, und dem Umgebungsdruck P₁ steht im oberen Druckraum 6 an. P_n, entsteht dadurch, daß gewisse Gasmengen über ein elektropneumatisch auf- und zugetaktetes Ventil durch eine im Durchfluß einstellbare, nachgeschaltete Lavaldüse 12 in dem Umfang in die Druckkammer 6 gelangen, in dem sie nicht über das z. B. als Widerstandselement ausgebildete Drosselorgan 13 in den Bereich stromab der Drosselklappe gelangen. Dieser Steuerdruck P_n, in der Druckkammer 6 und P, in der Druckkammer 7 ergeben zusammen eine Druckdifferenz, die an der wirksamen Fläche der Membran 9 eine Kraft erzeugt, die mit der Kraft der Feder Ii im Gleichgewicht sieht und daher den Ventilkegel 3 des als Lavaldüse ausgebildeten Ventils 2, 3 in eine der Federkraft entsprechende Öffnungsposition stellt.

Druckkammer 7 und Drosselorgan 8 sind nun so ausgelegt, daß sich eine Druckänderung im Saugrohr mit geringerer Verzögerung in die Druckkammer 7 tritt die entsprechende Unterdruckerhöhung also auch in der Druckkammer 6 ein, wodurch die Bewegung des Ventilkegels 3 zunächst in Schließrichtung erfolgt und anschließend in Öffnungsrichtung teilweise wieder rückgängig gemacht wird. Insgesamt zeigt diese Anordnung mit der verzögerten Rücknahme einer Überreaktion das Verhalten eines PD-Reglers.

Weiterhin kann der Druck P_n, mit dem Ventil 14 variiert werden, indem dessen Taktung durch ein in der Figur nicht mehr dargestelltes Steuergerät erfolgt Für dieses Steuergerät wird vorteilhafterweise das Verhalten eines !-Reglers vorgesehen. Hierzu wertet das Steuergerät z. B. die Differenz zwischen der Soll- und Istdrehzahl des Motors derart aus, daß sich die Geschwindigkeit, mit der das Taktverhältnis verändert wird (z. B. in % pro Sekunde) sich proportional zur Druckdifferenz zwischen Soll- und Istdrehzahl verhält. Auf eine Entlastung des Motors folgt erhöhter Unterdruck im Saugrohr und eine vergrößerte Istdrehzahl. Eine bleibende Abweichung der Istdrehzahl in dieser Richtung kann zurückgeregelt werden, indem der Ventilkegel weiter geschlossen wird. Hierzu kann der Absolutdruck P_n, erhöht werden, indem das Tastverhältnis für die Öffnungszeiten des Ventils 14 vergrößert wird.

Die im Ventil 2, 3 ausgebildete Lavaldüse wird im Bypass so ausgelegt, daß sie schon bei geringen Druckdifferenzen Überschallgeschwindigkeiten er-■> zeugt. Das gleiche gilt für die Lavaldüse 12.

Damit sind Schwankungen des Umgebungsdruckes P., möglich, ohne daß hieraus Änderungen der Massenströme durch die LavaldUse 12 und das ebenfalls als Lavaldüse ausgelegte Ventil 2, 3 resultieren, womit das

ι» ganze System unempfindlich gegen geodätische Höhenunterschiede ist.

Im Vollastbetrieb des Motors ist der Unterdruck P₁ im Saugrohr so gering, daß die Feder 11 die Membran 9 ganz nach oben drücken kann und das Volumen der

i"> Druckkammer 6 sehr klein wird. Vorteilhafterweise schmiegt sich die Membran 9 in diesem Zustand ganz in die Gehäusekontur der Druckkammer 6 ein. Damit wird erreicht, daß beim plötzlichen Schließen der Drosselklappe 1 (bei hoher Drehzahl des Motors) das Ventil 2,3

-° nicht plötzlich schließen kann, da das Volumen der Druckkammer 6 zu Beginn dieses Vorganges so klein ist, daß schon bei geringer Abwärtsbewegung der Membran 9 in der Druckkammer 6 der zum Gleichgewicht nötige Unterdruck P_n, entsteht, der dafür sorgt, daß das

α Ventil 2,3 nur verzögert schließt.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer der anderen weiter oben beschriebenen Anordnungen betrieben, so gilt das im Zusammenhang mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel Erläuterte entspre-

M chend.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die elektronisch überlagerte Steuerung von P_n, dadurch erfolgt, daß die zugehörige Druckkammer 6 bzw. 7 gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des An-

& Spruchs 8 mit Druck beaufschlagt wird. Dabei wird vorteilhafterweise die jeweilige Dauer der Druckbeaufschiagung elektronisch geregelt Die kenirzeichneüdeii Merkmale des Anspruchs 10 stellen hierzu eine besonders einfache und bevorzugte Lösung dar.

•»o Es hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft erwiesen, die Verbindungsleitungen gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 15 anzuordnen, d. h. daß im dargestellten Beispiel P, über eine Leitung innerhalb der Schubstange 4 und entsprechend an geordnete Drosselorgane 8 und 13 und die zugehörigen Öffnungen (in der Zeichnung nicht dargestellt) auf die Druckkammern 6 und 7 wirkt Sofern der Ventilkegel 3 auf den Ventilsitz 2 hineingezogen wird, verlaufen in der Schubstange 4 die entsprechenden Verbindungsleitun gen für P*. Alle übrigen Verbindungsleitungen und Drosselorgane sowie Ventile für das Stellglied 5 und das Ventil 2, 3 werden vorteilhafterweise ebenfalls innerhalb der Gehäuseteile der Gesamtvorrichtung integriert so daß sich nach außen erstreckende Anschlüsse auf die Einlaß- und Auslaßseite des Bypasses sowie die Stromversorgung für das oder die elektropneumatischen Ventile reduziert sind. Letztere können gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als ein einziges Mehrwegeventil ausgebildet sein.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die eingangs genannte Aufgabenstellung äußerst zufriedenstellend gelöst wobei der besondere Vorteil in der Einfachheit der Herstellung und der weitgehenden BeeinfiuBbarkeit des Regelverhaltens des Gesamtsystems besteht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zum Regeln der Leerlaufdrehzahl von Ottomotoren, bei dem in einer die Drosselklappe überbrückenden Bypassleitung von einem aus einem Ventilkegel und einem Ventilsitz bestehenden Ventil zumindest ein Teil der dem Motor zugeführten Luftmenge pneumatisch von den Fluiddrücken stromauf und stromab des Ventils, sowie dazu überlagert elektronisch, gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (2) des Ventils (2,3) in Verbindung mit dem Ventilkegel (3) als eine Lavaldüse ausgebildet ist

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle dem zwei Druckkammern (6, 7) aufweisenden pneumatischen Stellglied (5) des Ventils (2, 3) zugeführten Gasströme einzeln und verschieden voneinander gedrosselt werden.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß^umindest für einen Teil der Drosselorgane (S, 13, i2) Lavaidüsen verwendet werden.

4. System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für diejenigen Drosselorgane (12) Lavaidüsen verwendet werden, mit denen Gasströme aus dem Bereich stromauf der Drosselklappe (1) gedrosselt.werden.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme in das pneumatische Stellglied (5) aus dem Bereich stromab der Drosselklappe (1) bei einer Änderung des dort herrschenden Druckes derart unterschiedlich gedrosselt werden, d*ß da? Ventil (2, 3) seinen Durchlaß gedämpft ändert.

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein einem der Drosselorgane (8, 13, 12) vorgeschaltetes, elektronisch gesteuertes Ventil (14) bei Abweichungen zwischen Soll- und Istdrehzahl des Motors in Verbindung mit den Drosselorganen als PID-Regler für die Leerlaufdrehzahl gesteuert wird.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rein pneumatisch gesteuerten Teile 6ss PID-Reglers den wesentlichen Anteil seines PD-Verhaltens liefern.

8. System nach Anspruch 2 und ggfls. nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Druckkammern (6 oder 7) des pneumatischen Stellgliedes (5) zyklisch abwechselnd mit dem stromauf und stromab der Drosselklappe (1) herrschenden Gasdruck beaufschlagt wird.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Dauer der Druckbeaufschlagung elektronisch geregelt wird.

10. System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Druckkammern (6 oder 7) bei zu hoher Motordrehzahl mit dem Druck stromauf und bei zu niedriger Motordrehzahl mit dem Druck stromab der Drosselklappe (1) beaufschlagt wird.

11. System nach einem der Ansprüche3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Lavaldüse ausgebildeten Drosselorgane (12) für verschiedene Durchsätze einstellbar sind.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß die bei völlig geöffnetem Ventil (2, 3) kleinere Druckkammer (6) des pneumatischen Stellgliedes (5) an die dann sich einstellende Form der Membran (9) weilsehend

formschlüssig angepaßt ist.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen zwischen dem Bereich stromab oder stromauf der Drosselklappe (1) und den Druckkammern (6,7), sowie die jeweils zugehörigen Drosselorgane in der Schubstange (4) zwischen der Membran (9) des Stellgliedes (5) und dem Kegel (3) des Ventils (2, 3) angeordnet sind.

14. System nach Anspruch 2 und ggfls. nach den Ansprüchen 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Druckkammer (6 oder 7) vorgeschalteten elektronisch gesteuerten Ventile jeweils zu einem Mehrwegeventil zusammengefaßt sind.

15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ventile, Drosselorgane und Verbindungsleitungen in die Gehäuseteile für das Stellglied (5) und das Ventil (2, 3) integriert sind.