DE2954317C2 - Ventilanordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl von Otto-Motoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl von Otto-Motoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, durch Steuerung der Luftmenge auf der Ausgleichseite mit einem elektromechanischen Stellglied, das ein den wirksamen Ausganssquerschnitt begrenzendes, durch ein elektrisches Antriebsglied bewegbares Ventilelement umfaßt, das auf einer Seite mit der Ausgangsseite in Verbindung steht, und mit einer das Stellglied drehzahlabhängig ansteuernden Schaltung mit einem Differenzverstärker, dessen einer Eingang mit einer elektrischen Größe entsprechend der Soll-Leerlaufdrehzahl beaufschlagt ist und dessen anderer Eingang mit einem Drehzahlgeber in Verbindung steht.

Bekanntlich werden Ventilanordnungen zur Regelung der Leerlaufdrehzahl dazu verwandt, um eine möglichst geringe Leerlaufdrehzahl einzustellen, die günstige Verbrauchs- und Emissionswerte zur Folge hat. Der notwendige Luftdurchfluß durch den Vergaser kann dabei nicht ein für allemal fest vorgegeben werden, da die LeerJaufdrehzahl auch dann Schwankungen unterworfen sein kann, wenn der Motor mit einer gleichbleiben-

den Füllung betrieben wird. Solche Schwankungen können durch verschiedene Belastungszustände im Leerlauf wie in der Kaltlaufphase oder durch den Leistungsbedarf einer Klimaanlage eines hydraulischen Systems mit einer durch den Motor angetriebenen Pumpe oder der-

gleichen verursacht sein. Hinzu kommt, daß bei kleiner Leerlaufdrehzahl sich der Betriebszustand eines Otto-Motors nahe dem instabilen Drehzahlbereich befindet, in dem bei einer weiteren Zusatzbelastung der Motor absterben kann.

Es ist bereits eine Ventilanordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl mit einem Stellmotor bekannt, (DE-OS 20 49 669), der aus einem Differenzverstärker gespeist wird. Ein Eingang des Differenzverstärkers wird mit einer elektrischen Größe entsprechend der SoII-Leerlaufdrehzahl beaufschlagt. Ein zweiter Eingang des Differenzverstärkers steht mit einem Drehzahlgeber in Verbindung. Durch diesen Differenzverstärker wird demgemäß der Stellmotor mit einer elektrischen Größe beaufschlagt, welche der Differenz der Ist-Drehzahl von der Soll-Leerlaufdrehzahl entspricht. Damit versucht der Stellmotor, ein Ventilelement in der Ventilanordnung so zu verstellen, daß durch Begrenzung des wirksamen Ansaugquerschnitts die für die Soll-Leerlaufdrehzahl erforderliche Luftmenge pro Einheit durch den Vergaser in den Motor strömen kann. Jedoch ist diese Durchflußmenge der Luft nicht ohne weiteres nach einem vorgegebenen Gesetz abhängig von der von dem Differenzverstärker gelieferten elektrischen Größe, die den Stellmotor beaufschlagt.

Um die Einflüsse von Störgrößen auf die Bewegung des Ventilelements auszugleichen, ist daher im Zusammenhang mit der bekannten Ventilanordnung eine Rückmeldung der Stellung des Ventilelements vorgesehen. Durch ein Rückmeldesignal ist in diesem Fall ein Vergleich mit dem von dem Differenzverstärker abgegebenen Signal, das der Drehzahlabweichung entspricht, um in der Weise auf den Stellmotor einzuwirken, daß das Ventilelement trotz der Störgrößen auf eine Stellung eingeregelt wird, bei der die Abweichung

bo zwischen Ist- und Soll-Drehzahl Null wird.

Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß die Einstellung des Ventilelements verhältnismäßig träge erfolgt. Dadurch läßt sich bei dieser Einrichtung die Leerlaufdrehzahl des Motors nicht soweit senken — bei einem Achtzylindermotor beispielsweise auf 500 Umdrehungen pro Minute —, wie dies zur Erzielung günstiger Verbrauchs- und Emissionswerte wünschenswert wäre. Eine solche Leerlaufdrehzahl liegt nämlich so

dicht an der Motorlaufgrenze, daß bei einer plötzlichen und bereits geringen Belastung des Motors dieser abstirbt Darüber hinaus ist der Aufwand für die Elemente der Rückmeldung nachteilig. Diese- Aufwand besteht insbesondere in den Zusatzgebern für die Rückmeldung, wie Drosselklappenschalter, Unterdruckschalter oder Temperaturschalter.

Es ist des weiteren ein Magnetventil bekannt (DE-AS 12 70 909), bei dem der den Anker enthaltende Raum mittels einer Membran gegenüber dem durch das Ventil strömenden Medium abgetrennt ist. In dem das Verschlußelement tragenden Teil des Ankers befindet sich eine Axialbohrung, die einerseits im Medienströmungskanal und andererseits im Ankerraum endet, so daß bei einer Verkleinerung des Ankerraums beim Öffnen des Ventils Luft aus dem Ankerraum in den Medienströmungskanal gelangen kann. Hierdurch "assen sich die Öffnungskräfte fürdas Ventil verkleinern.

Es ist des weiteren bekannt (DE-OS 19 11 522). bei Regelventilen mit einem als Kolben ausgebildeten Schließelement dieses im Kolbenbogen mit Öffnungen zu versehen, um den auf den Kolbenboden wirkenden Druck des Mediums auszugleichen.

Die Nachteile der bekannten Ventilanordnungen sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Ventilanordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl so auszugestalten, daß bei einer möglichst trägheitsarmen Arbeitsweise der Ventilanordnung eine Rückmeldung der Stellung des Ventilelements nicht erforderlich ist, um die zum Erreichen auch sehr niedriger Soll-Leerlaufdrehzahlen benötigte Luftmenge einzustellen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Ventilanordnung dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen sind, um auf das Ventilelement eine der durch den Ansaugunterdruck hervorgerufenen Kraft entgegengesetzte Kompensationskraft auszuüben und daß der Drehzahlgeber mit dem Differenzverstärker über einen Differentialverstärker als Differentialglied in Verbindung steht, dessen Differentialanteil bei einer Drehzahlverminderung wirksam und bei einer Drehzahlerhöhung unwirksam schaltbar ist.

Diese Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß von einer Rückmeldung des Ventilelements abgesehen werden kann, wenn dieses möglichst reibungsfrei gelagert ist und wenn insbesondere Maßnahmen getroffen sind, um die Einwirkung eines variablen Unterdrucks durch den Ansaugunterdruck auf die Stellung des Ventilelements zu beseitigen. Dadurch, daß die voranstehenden Störgrößen durch den Aufbau der Ventilanordnung und deren Steuerschaltung beseitigt sind, wird die Einstellung des Ventilelements zur Freigabe des zum Erreichen der Soll-Leerlaufdrehzahl erforderlichen wirksamen Ansaugquerschnitts nach Maßgabe der Differenz zwischen Ist-Drehzahl und Soll-Leerlaufdrehzahl erreicht, und zwar ohne Rückmeldung der Stellung des Ventilelements und entsprechende Beeinflussung seines elektrischen Antriebsgliedes. Darüber hinaus kann durch die die Zwischenschaltung des Differentialverstärkers zwischen Drehzahlgeber und Differenzverstärker der Differentialanteil so hoch gewählt werden, daß bei einem Abfall der Drehzahl eine rasche und genügend starke Ausregelung des Drehzahleinbruchs stattfindet und ohne daß der Regelkreis instabil wird. Letzteres wäre nämlich der Fall, wenn lediglich ein normaler Differentialverstärker mit einem hohen Differentialanteil verwendet würde. Würde dieser Differentialanteil dann kleiner gewählt, um einen stabilen Regelkreis zu erhalten, würde sich andererseits eine ungenügende Ausregelung eines Drehzahleinbruchs ergeben und es wären zusätzliche Unterdruckschalter und -ventile notwendig, um diese ungenügende Ausregelung wieder zu eliminieren. Die Verwendung eines Differentialverstärkers mit einem nur bei einer Drehzahlverminderung wirksamen Differentialanteil umgeht diese ganzen Probleme mit einem äußerst geringen Bauteilaufwand.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelement zwischen einer Einlaßseite und einer Auslaßseite in dem Ventilgehäuse angeordnet und in dem Ventilgehäuse ein annähernd abgeschlossener Raum vorgesehen, der durch eine dem Ventileleitient gegenüberliegende Membrane gegenüber der Ansaugseite abgeschlossen ist, wobei die Membrane und das Ventilelement gleichgroße, aus dem Saugdruck kraftbildende Flächen aufweisen und die Membran und das Ventilelement mit einer aus einem Hubmagneten herausragenden Kolbenstange dergestalt verbunden sind, daß die durch das Ventilelement hervorgerufene Kraft und die Kompensationskraft der Membrane an der Hubstange entgegengesetzt gleich sind.

Der Einfluß des Unterdrucks auf das Ventilelement, welcher verursacht, daß das Ventilelement durch den Unterdruck weiter geöffnet werden kann, wird dadurch eliminiert, daß ein entgegengesetzter Einfluß des Unterdrucks auf die Membran ausgeübt wird, so daß sich die an dem Ventilelement und an der Membrane einwirkende Kräfte über die Hubstange ausgleichen. Dadurch und infolge der weitgehend reibungsfreien Lagerung des Ventilelements mit der Hubstange entspricht der Öffnungsweg, der von dem Ventilelement zur Freigabe eines wirksamen Ansaugquerschnitts zurückgelegt wird, nach einem vorgegebenen Gesetz störgrößenfrei dem Strom, mit dem der Hubmagnet beaufschlagt wird.

Eine besonders genaue Einstellung des Ventilelements bei unterschiedlichen Druckverhältnissen wird dadurch erzielt, daß der abgeschlossene Raum, der auf die der Saugseite abgewandten Seite der Membrane liegt, über eine gasleitende Verbindung mit der Einlaßseite verbunden ist. Damit wird erreicht, daß die einander abgewandten Seiten der Membran und des scheibenförmigen Ventilelements, die beide auf der Hubstange angebracht sind, mit dem gleichen Druck beaufschlagt werden. Da die einander zugewandten Seiten der Membrane und des Ventilelements mit dem gleichen Druck auf der Saugseite beaufschlagt werden, ist die Krafteinwirkung auf die Gesamtanordnung an der Hubstange 0, wenn die wirksame Membranfiäche gleich der wirksamen Ventilfläche dimensioniert ist.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Membran zumindest zum Teil federnd ausgebildet ist und daß in dem abgeschlossenen Raum der Hubmagnet untergebracht ist. Damit wird eine kompakte Anordnung mit wenig Einzelteilen erreicht, die sich besonders für die kostengünstige Herstellung eignet und die eine hohe Betriebssicherheit erwarten läßt.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Differentialverstärker aus einem Differenzverstärker, dessen Ausgang über einen kapazitiv auf einem festen Bezugspotential liegenden ohtnschen Spannungsteiler an seinen einen Eingang angeschlossen ist. und daß parallel zu dem am Ausgang des Differenzverstärkers angeschlossenen Widerstand des Spannungsteilers die Eingänge eines eine Diodcnrückkopplung aufweisenden Differenzveistärkers liegen. Eine solche Ausführungsform besitzt einen besonders geringen Bamcüeaufwand.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die verschiedene Ausführungsbeispiele enthält, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform einer Ventilanordnung im Längsschnitt und

Fig. 2 eine vereinfachte Schaltung zur drehzahlabhängigen Ansteuerung des Stellgliedes.

In F i g. 1 ist mit 18 ein Ventilgehäuse bezeichnet, welches einen ersten Stutzen 19 auf der Einlaßseite und einen zweiten rechtwinklig hierzu angeordneten Stutzen 20 auf der Ansaugseite aufweist. Der Stutzen 19 ist gegenüber dem Stutzen 20 durch eine flache, runde Scheibe 21, die als Ventilelement wirkt, mehr oder weniger abschließbar. Diese Scheibe 21 bestimmt somit den wirksamen Ansaugquerschnitt. Hierzu ist die Scheibe 21 über eine Hubstange 22 durch einen Hubmagneten 23 entgegengesetzt der Kraft einer Feder 24 verschiebbar, die sich gegen einen in den Stutzen 19 eingepreßten Stern 25 abstützt. Der erste Stutzen 19 und der zweite Stutzen 20 stehen mit einer Ansaugleitung 11 mit einer Drosselklappe 12 in Verbindung.

Im Abstand gegenüber der Scheibe 21 ist an der Hubstange eine Membrane 26 befestigt, die den Stutzen 20 auf der Ansaugseite gegenüber einem annähernd abgeschlossenen Raum 27 abschließt. Der annähernd abgeschlossene Raum steht über eine gasleitende Verbindung 28 mit dem Stutzen 19 auf der Einlaßseite in Verbindung.

Die Membrane ist so ausgebildet, daß sie eine zu der flachen Scheibe 21 wirkungsmäßig gleichgroße Fläche aufweist, an der Drücke in dem abgeschlossenen Raum und auf der Ansaugseite eingreifen können, um eine Kompensationskraft P/, zu erzeugen, die der durch den Unterdruck auf die Scheibe 21 erzeugten Unterdruck P₁, entspricht.

Damit wird der Einfluß des Unterdrucks auf die Stellung der als Ventilelement wirkenden Scheibe 21 eliminiert. Das Ventilelement ist mit der Hubstange 22 im wesentlichen reibungsarm gelagert, da die Reibungseinflüsse infolge der Ausbildung der Membrane 26 vernachlässigt werden können. Die Ventilanordnung ergibt also einen Durchfluß, der von dem Otto-Motor in Richtung der Pfeile 29 angesaugten Luft, welche dem in den Hubmagneten 23 eingespeisten Strom nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit genau entspricht.

Die zur drehzahlabhängigen Ansteuerung des Hubmagneten 13 vorgesehene Schaltung ist in Fig.2 gezeigt, wobei lediglich die wesentlichen Schaltungsdetails dargestellt sind. Die Schaltung besteht im wesentlichen aus einem Ditferentiaiverstärker 31, dessen Ausgang mit dem negativen Eingang eines Differenzversiärkers 32 verbunden ist. Der positive Eingang des Differenzverstärkers 32 ist mit einer der Solleerlaufdrehzahl entsprechenden Spannung beaufschlagt, die über einen Stellwiderstand 33 motorEpezifisch eingestellt werden kann. Im Ausgang des Differenzverstärkers 32 liegt der Hubmagnet 23.

Der Differenzverstärker 31 enthält einen Differenzverstärker 34, dessen einer Eingang mit einem Drehzahlgeber 35 in Verbindung steht, der eine der jeweiligen Motordrehzahl proportionale Spannung abgibt. Der andere Eingang des Differenzverstärkers 34 liegt an einem Spannungsteiler 36, der einerseits an den Ausgang des Differenzverstärkers 34 angeschlossen ist und andererseits über einen Kondensator 37 auf einem festen Bezugsspannungspotential, nämlich Masse, liegt. Parallel zu dem dem Difterenzverstärker 34 benachbarten Widerstand des Spannungsteilers 36 liegen die beiden Eingänge eines weiteren Differenzverstärkers 38, dessen Ausgang über eine Diode 39 mit dem Verbindungspunkt der beiden Spannungsteilerwiderstände verbunden ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der durch den Spannungsteiler 36 und den Kondensator 37 bestimmte Differentialanteil nur dann wirksam wird, wenn im Ausgang des Differenzverstärkers eine Potentialabsenkung auftritt. In einem solchen Fall ist der dem Differenzverstärker 34 benachbarte Widerstand des Spannungsteilers 36 voll wirksam, weil über den den Differenzverstärker 38 und die Diode 39 enthaltenden Zweig kein Strom bzw. nur ein vernachlässigbarer Strom fließen kann. Tritt jedoch im Ausgang des Differenzverstärkers 34 eine Potentiaierhöhung ein, so entsteht ein Stromfluß über den Differenzverstärker-Dioden-Zweig, der zu einer beträchtlichen Herabsetzung der Wirkung des Differentialanteils führt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ventilanordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl von Otto-Motoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, durch Steuerung der Luftmenge auf der Ansaugseite mit einem elektromechanischen Stellglied, das ein den wirksamen Ansaugquerschnitt begrenzendes, durch ein elektrisches Antriebsglied bewegbares Ventilelement umfaßt, das auf einer Seite mit der Ansaugseite in Verbindung steht, und mit einer das Stellglied drehzahlabhängig ansteuernden Schaltung mit einem Differenzverstärker, dessen einer Eingang mit einer elektrischen Größe entsprechend der Soll-Leerlaufdrehzahl beaufschlagt ist URd dessen anderer Eingang mit einem Drehzahlgeber in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise Mittel (26) vorgesehen sind, um auf das Ventilelement (21) eine der durch den Ansaugunterdruck hervorgerufene Kraft (P,,) entgegengesetzte Kompensationskraft (P,,) auszuüben, und daß der Drehzahlgeber (35) mit dem Differenzverstärker (32) über einen Differentialverstärker (31) als Differentialglied in Verbindung steht, dessen Differentialglied bei einer Drehzahlverminderung wirksam und bei einer Drehzahlerhöhung unwirksam schaltbar ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (21) zwischen einer Einlaßseite und einer Auslaßseite in dem Ventilgehäuse (18) angeordnet is«, daß in dem Ventilgehäuse ferner ein annähernd abgeschlossener Raum (27) vorgesehen ist, der durch eine dem Ventilelement gegenüberliegende Membrane (26) gegenüber der Ansaugseite (Stutzen 20) abgeschlossen ist, daß die Membrane (26) und das Ventilelement (21) mit einer aus einem Hubmagneten herausragenden Kolbenstange (22) dergestalt verbunden sind, daß die Membrane und das Ventilelement gleichgroße, aus dem Saugdruck kraftbildende Flächen aufweisen.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum (27), der auf der der Saugseite abgewandten Seite der Membrane (26) liegt, über eine gasleitende Verbindung (28) mit der Einlaßseite verbunden ist.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (26) zumindest zum Teil federnd ausgebildet ist und daß in dem abgeschlossenen Raum (27) der Hubmagnet (23) untergebracht ist.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker (31) aus einem Differenzverstärker (34) besteht, dessen Ausgang über einen kapazitiv auf einem festen Bezugspotential liegenden ohmschen Spannungsteiler (36) an seinen einen Eingang angeschlossen ist, und daß parallel zu dem am Ausgang des Differenzverstärkers (34) angeschlossenen Widerstand des Spannungsteilers (36) die Eingänge eines eine Diodenriickkopplung aufweisenden Differenzverstärkers (38) liegen.