DE68907405T2 - Elektronische drosselklappenstelleinrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuerung für Brennkraftmaschinen und insbesondere eine elektronische Drosselklappenstelleinrichtung.
• Bekannte Stelleinrichtungen für Drosselklappen in Brennkraftmaschinen bedingen eine Gelenkkette zwischen dem Gaspedal im Insassenraum eines Fahrzeuges und der Drosselklappe im Lufteinlaß des Motors. Jede Gelenk- und Schwenkposition stellt eine mögliche Ursache für Fehler und Ausfälle dar. Ausfälle wegen Korrosion und Schmutz zwischen den Gelenkflächen und fehlerhafte Einstellungen wegen des Verschleißes und Spiels in den Gelenkverbindungen. Aus DE-A- 37 20 897 ist eine elektronische Drosselklappenstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Drosselklappengehäuse, einer sich durch das Gehäuse erstreckenden Drosselbohrung, einer drehbar gelagerten und diametral in der Drosselbohrung angeordneten Welle, einer auf der Welle befestigten Drosselklappe, die mit der Welle zwischen einer im wesentlichen geschlossenen Stellung und einer im wesentlichen weit offenen Stellung drehbar ist, einer die Welle in eine Drehrichtung drückende Torsionsfeder, einer ersten Ausnehmung in dem Gehäuse für ein Ende der Welle, einem an dem Gehäuse befestigten Motor, einer ersten Kupplung zum getriebelosen Verbinden des Motors mit der Welle, einer elektronischen Steuerung zum Betätigen des Motors und Drehen der Welle, einem Drosselklappenstellungssensor an der Welle zum Anzeigen der Drehlage der Drosselklappe, einer zweiten Ausnehmung in dem Gehäuse für das andere Ende der Welle, einer zweiten Kupplung in der zweiten Ausnehmung zum direkten Kuppeln der Welle mit dem Drosselklappenstellungssensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfedereinrichtung die Welle in eine Drehrichtung drückt, um die Drosselklappe in der im wesentlichen geschlossenen oder offenen Stellung zu positionieren, daß die Torsionsfedereinrichtung in mindestens einer Ausnehmung angeordnet ist.
• Gemäß EP-A-0 154 236 ist es bekannt, den Motor mit der Welle koaxial ohne Getriebe zu kuppeln und eine redundante Systemfähigkeit zum Schließen der Drosselklappe zu schaffen.
• Der Stand der Technik liefert jedoch keinen Hinweis auf die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 und auch nicht auf die näheren Einzelheiten der Merkmale in den Unteransprüchen.
• Drahtgebundene Steuerungen bzw. elektronische Drosselklappensteuerungen sind so aufgebaut, daß die Gaspedalbewegung im Insassenraum des Fahrzeuges als elektrische Signale an eine Stelleinrichtung zum Bewegen der Drosselklappe übertragen werden. Die Stelleinrichtung ist meistens ein Gleichstrommotor, der über ein Getriebe die Drosselklappe aus einer im wesentlichen geschlossenen Lage in eine weit offene Lage dreht. Die Drehlage wird von einer Servosteuerung bestimmt. Der Hauptvorteil der vorliegenden elektronischen Drosselklappenstelleinrichtung ist ein mechanisches System mit einem Schrittmotor, der direkt mit der Drosselklappenwelle ohne Zwischenzahnräder gekuppelt ist, die Verschleiß unterliegen oder brechen können.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist eine elektronische Getriebeuntersetzungseinheit, die in der Lage ist, 1,8 Grad Drosselbewegung in 0,056 Grad-Schritte zu konvertieren. Weitere Vorteile liefert eine elektronische Drosselklappenstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Drosselklappengehäuse, durch das sich eine Drosselbohrung erstreckt. Eine drehbar gelagerte Welle ist in der Drosselbohrung diametral angeordnet. Eine auf der Welle befestigte Drosselklappe dreht sich mit dieser aus einer im wesentlichen geschlossenen Stellung in eine im wesentlichen weit offene Stellung, abhängig von den systemeigenen Spezifikationen. Mindestens eine Torsionsfeder drückt die Welle in eine Drehrichtung, um die Drosselklappe in die im wesentlichen geschlossene Stellung zu bringen. Im Gehäuse ist eine Ausnehmung für die Torsionsfeder vorgesehen. Ein Motor ist am Gehäuse befestigt und ist mit der Welle ohne Zwischenuntersetzungsgetriebe gekuppelt. Eine elektronische Steuerung steuert den Motor an, um die Welle zu drehen und damit die Drosselklappe, um die Luftströmung in den Motor zu steuern.
• Merkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 sowie in den Unteransprüchen beschrieben.
• Viele andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
• Fig. 1 eine Stirnansicht einer elektronischen Drosselklappenstelleinrichtung,
• Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,
• Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1,
• Fig. 4 eine Stirnansicht einer anderen Ausführungsform der elektronischen Drosselklappenstelleinrichtung, an der eine Elektroniksteuerung befestigt ist.
• Fig. 1 zeigt eine Stirnansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer elektronischen Drosselklappenstelleinrichtung 10. Die Stelleinrichtung 10 hat einen Motor 12, der mit der Welle 14 der Drosselklappe 16 verbunden ist. Die Drosselklappe 16 liegt im Lufteinlaß bzw. der Drosselbohrung 18 des Gehäuses 20. Um die Lage der Drosselklappe 16 zu erfassen, ist ein Drosselklappenstellungssensor 22 am Ende der Welle 14 der Drosselklappe l6 gegenüber dem Motor 12 angeordnet.
• Offensichtlich kann die bevorzugte Ausführungsform an unterschiedliche Motoren angepaßt werden, indem man die Baugrößen entsprechend unterschiedlichen Durchmessern 18 der Drosselbohrung sowie die Befestigungsöffnungen ändert. Der Motor 12 und der Sensor 22 reichen für die meisten Motorgrößen aus.
• Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, nämlich im wesentlichen längs der Achse der Welle 14. Das Gehäuse 20 hat eine Lufteinlaßbohrung 18, in der ein nicht gezeigtes Luftfilter am einen Ende eingesetzt ist, und das mit seinem anderen Ende in einen Einlaßverteiler (nicht gezeigt) mündet. Ein Strömungssensor für die Luft kann gegebenenfalls fluchtend mit der Lufteinlaßbohrung 18 verbunden sein.
• Der Motor 12, nämlich ein Gleichstromschrittmotor ist direkt mit der Drosselklappenwelle 14 über eine Kupplung 24 gekuppelt, die in Fig. 3 dargestellt ist. Die Welle 14 ist drehbar in zwei axialen Dichtungen 26, 28 gelagert. Die Dichtungen 26, 28 halten Schmutz und Korrosion von den Lagerflächen der Welle 14 fern. Auf der Welle 14 sitzt die Platte eines Drosselklappenventils 16.
• Mindestens eine Korrosions- oder Rückholfeder 30, 32 ist an der Welle 14 befestigt und drückt die Welle in die Schliefstellung. Vorzugsweise sind zwei Rückholfedern 30, 32 vorgesehen, die jeweils an einem Ende der Welle 14 angeordnet sind und die Drosselklappe 16 in die Schließlage drücken. Wird der Motor 12 abgeschaltet oder tritt ein Bruch in einem der Elemente der Stelleinrichtung 10 auf, so drehen die Rückholfedern 30, 32 die Welle 14 so weit in die Schließstellung der Drosselklappe 16, die dem Leerlauf entspricht. Die Rückholfedern 30, 32 sind durch Redundanz ausfallsicher, da jede Feder für sich die Welle 14 drehen kann.
• Das Gehäuse 20 hat zwei Ausnehmungen 34, 36, für den Sensor und für den Motor an jedem Ende der Welle 14 zum Unterbringen der Federn 30, 32 und der Kupplungen 24, 38. Der Sinn der Ausnehmungen 34, 36 liegt darin, einen von äußeren Verunreinigungen wie Schmutz, Wasser, Schraubendreher usw. freien Raum zu schaffen, so daß ein Ausfall der Stelleinrichtung 10 nicht auftreten kann. Eine Platte 35, 37, die am Gehäuse 22 befestigt ist, schließt die Ausnehmungen 34, 36 ab. Außerdem hat jede Ausnehmung 34, 36 eine Entlüftung 40 zur Luftströmung in der Drosselbohrung 18 stromab des Luftfilters. Die Luftströmung durch die Entlüftungen verhindert den Eintritt von Schmutz in die Ausnehmungen 34, 36 infolge Druckdifferenzen, die von Undichtigkeiten der Dichtungen 26, 28 für die Drosselklappenwelle herrühren, sowie von Temperaturveränderungen der in den Ausnehmungen 34, 36, dem Sensor 22 oder dem Motor 12 eingeschlossenen Luft.
• Um das zum Öffnen der Drosselklappe 16 erforderliche Drehmoment zu minimieren, ist die Welle 14 etwas gegenüber der Mitte der Drosselbohrung versetzt. Dieser Versatz beträgt zwischen 0 bis 10/1000 eines Inch (0,0254 mm) und drückt die Klappe 16 wirksam in Schließstellung, wenn der Motor 12 ausfällt usw., wobei die Torsionsfedern 30, 32 die Schließkraft liefern, die zum Drehen der Welle 14 erforderlich ist.
• In Fig. 3 ist die Kupplung 24 zwischen dem Motor 12 und der Welle 14 dargestellt. Eine im wesentlichen ähnliche Kupplung 38 ist zwischen der Welle 14 und dem Drosselklappenstellungssensor 22 angeordnet. Der Sinn der Kupplungen 24, 38 besteht darin, daß der Antrieb der Welle 14 vom Motor 12 direkt erfolgt bzw. von der Welle 14 zu dem Sensor 22. Die Kupplung 24 weist eine Motorstirnplatte 42, eine Wellenstirnplatte 44 und einen Anschlagstift 46 auf.
• Die Motorstirnplatte 42 ist unmittelbar in bekannter Weise, beispielsweise mit einer geschlitzten Öffnung 50 an der Motorwelle 48 befestigt. Gemäß Fig. 3 ist die Motorstirnplatte 42 etwa rechteckig mit einer U-förmigen Öffnung 52 an einem Ende. Eine Seite der U-förmigen Öffnung 52 ist ein Antriebshebel 54 zum Öffnen und die andere Seite ein Antriebshebel 56 zum Schließen. Dies bezieht sich auf die Stellung der Drosselklappe 16. Das andere Ende der rechteckigen Platte hat einen redundanten Antriebshebel 58 zum Schließen.
• Die Wellenstirnplatte 44 ist in ähnlicher Weise rechteckig mit einem Ende 60, an dem eine Verlängerung 62 liegt, an der ein Ende der Rückholfeder 32 in der Motorausnehmung 36 anliegt. Die Wellenstirnplatte 44 ist mit bekannten Mitteln, beispielsweise einer geschlitzten Öffnung an der Welle 14 befestigt. Längs der Schmalseiten der Wellenstirnplatte 44 sind zwei Zungen 64, 66 in Richtung zur Motorstirnplatte 42 ausgebildet. Eine Zunge 64 liegt in der U-förmigen Öffnung 52 der Motorstirnplatte 42. Der Antriebshebel 54 zum Öffnen drückt gegen diese Zunge 64 und dreht die Welle 14 im Uhrzeigersinn. Die gegenüberliegende Zunge 66 liegt am Antriebshebel 58 zum redundanten Schließen der Drosselklappe unter der Wirkung der Federn 30 und 32. Der Anschlagstift 46 verhindert das Öffnen der Drosselklappe, wobei der Antriebshebel 56 zum Schließen an der Zunge 66 anliegt, wenn der Antriebshebel 54 zum Öffnen oder die Zunge 64 ausfallen. Bei dem bevorzugten Ausführungbeispiel soll Beachtung finden, daß es redundante Antriebshebel 56, 58 zum Schließen gibt, jedoch nur einen Antriebshebel 54 zum Öffnen, um eine fehlerf reie Betätigung zum Schließen der Drosselklappe 16 zu erhalten.
• In der Sensorausnehmung 34 liegt die zweite Kupplung 38. Eine zweite Wellenstirnplatte 68 ist an der Welle 14 in üblicher Weise, beispielsweise durch eine geschlitzte Öffnung oder Stifte befestigt. Die Platte 68 dient zur Antriebsverbindung der Rückholfeder 30 in der Ausnehmung 34. Das Ende der Welle 14 paßt in eine Sensorstirnplatte 69 mit dem Sensor 22. Eine Beschreibung des Sensors findet sich im US Patent 4,355,293.
• Fig. 4 zeigt, daß die Elektronik 70 für die Stelleinrichtung seitlich am Gehäuse 20 zusammengefaßt und befestigt ist. Somit liegen die Leitungen 72 vom Motor 12 und Leitungen 74 vom Sensor 22 in dem Gehäuse 76 und nicht extern. Die Leistungselektronik ist so gelegen, daß die erzeugte Wärme an die Luftströmung in der Drosselbohrung 18 abgeleitet wird. Fig. 4 zeigt, daß die Leistungselektronik an der dünnsten Wandung der Drosselbohrung 18 liegt. Der Anschluß der Elektronik 70 an die Leistungs- und Steuersignale erfolgt über einen nicht gezeigten Verbinder.
• Die Kombination der Elektronik 70 und der Bauweise der Kupplung 24 zwischen dem Motor 12 und der Drosselklappe 16 macht es möglich, das Drosselklappenventil zu lösen, wenn es in der Bohrun 18 festgefroren ist. Die Synchronisierung des Motors und des Sensors 22 läßt den Schrittmotor oszillieren, bis das Eis gelöst ist und das Ventil frei arbeitet.

Claims (4)

1. Elektronische Drosselklappenstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit:

einem Drosselklappengehäuse;

einer sich durch das Gehäuse erstreckenden Drosselbohrung;

einer drehbar gelagerten und diametral in der Drosselbohrung angeordneten Welle;

einer auf der Welle befestigten Drosselklappe (16), die mit der Welle zwischen einer im wesentlichen geschlossenen Stellung und einer im wesentlichen weit offenen Stellung drehbar ist;

einer die Welle in eine Drehrichtung drückende Torsionsfeder (30, 32);

einer ersten Ausnehmung (36) in dem Gehäuse für ein Ende der Welle;

einem an dem Gehäuse befestigten Motor (12);

einer ersten Kupplung (24) zum getriebelosen Verbinden des Motors mit der Welle;

einer elektronischen Steuerung (17) zum Betätigen des Motors und Drehen der Welle;

einem Drosselklappenstellungssensor (22) an der Welle zum Anzeigen der Drehlage der Drosselklappe;

einer zweiten Ausnehmung (34) in dem Gehäuse für das andere Ende der Welle;

einer zweiten Kupplung (38) in der zweiten Ausnehmung zum direkten Kuppeln der Welle mit dem Drosselklappenstellungssensor;

dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfedereinrichtung die Welle in der einen Drehrichtung in eine Stellung drückt, in der die Drosselklappen in der im wesentlichen geschlossenen Stellung ist, daß die Torsionsfeder in mindestens einer der Ausnehmungen eingesetzt ist und die erste Kupplung in der ersten Ausnehmung eingesetzt ist und Mittel (42, 44) aufweist, die den Motor mit der Welle koaxial kuppeln und in der Schließrichtung eine redundante Antriebskupplung (56, 64; 58, 66) bilden.

2. Elektronische Drosselklappenstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kupplung ferner Mittel aufweist, die einen Einzelantrieb in der anderen Drehrichtung bilden und die erste Kupplung aufweist:

eine Antriebswellenstirnplatte (42) an der Antriebswelle,

eine Abtriebswellenstirnplatte (44) am einen Ende der Abtriebswelle,

zwei diametral entgegengesetzte Zungen (64, 66) an der Abtriebswellenstirnplatte,

einen U-förmigen Schlitz (52) in der Antriebswellenstirnplatte zur Aufnahme einer Zunge (64), wobei eine Seite (56) des U-förmigen Schlitzes zum Drehen der einen Zunge in der einen Drehrichtung und die andere Seite (54) des U-förmigen Schlitzes (54) zum Drehen der einen Zunge in der anderen Drehrichtung vorgesehen ist, und

einen Hebel (58) an der Antriebsstirnplatte, von dem die andere Zunge (66) erfaßbar ist, um die andere Zunge nur in der einen Drehrichtung zu drehen.

3. Elektronische Drosselklappenstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kupplung zum direkten Ankuppeln der Welle an den Drosselklappenstellungssensor aufweist:

eine Sensorstirnplatte (69) an dem Drosselklappenstellungssensor (22),

eine Wellenstirnplatte am einen Ende der Welle (14) und

Mittel (14) zum Verbinden der Sensorstirnplatte mit der Wellenstirnplatte.

4. Elektronische Drosselklappenstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfeder zwei einzelne Torsionsfedern aufweist von denen eine (32) in der ersten Ausnehmung und die andere (30) in der zweiten Ausnehmung angeordnet ist.