DE19928354A1

DE19928354A1 - Leitungssystem mit Drosselklappe

Info

Publication number: DE19928354A1
Application number: DE19928354A
Authority: DE
Inventors: Helmut Spannbauer
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2000-12-28
Also published as: EP1063406A1; DE50007737D1; ES2226656T3; ATE276437T1; EP1063406B1; US6427661B1

Abstract

Leitungssystem mit Drosselklappe, insbesondere Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Die Drosselklappe ist derart gestaltet, daß sie in der Schließstellung den zu drosselnden Querschnitt (17) nur in einem Bereich (31) abdeckt und einen Bereich (30) freiläßt, so daß weiterhin Luft durch das Ansaugrohr fließen kann. Dieser Zustand eignet sich insbesondere bei geringeren Drehzahlen, um das Ansauggeräusch der Brennkraftmaschine zu dämpfen. Durch die senkrecht zur Strömung stehende Drosselklappe in diesem Bereich wird eine Reflexion von Schallwellen in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ermöglicht. Auf diese Weise entsteht eine kostengünstige Möglichkeit zur Beeinflussung des Ansauggeräusches, die auch für ein Sounddesign verwendet werden kann.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Leitungssystem mit Drosselklappe, insbesondere einen An saugtrakt einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des Patentanspruches 1. Au ßerdem betrifft die Erfindung eine Drosselklappe zum Einbau in dieses Leitungssy stem nach der Gattung des Patentanspruches 6. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Steuerung einer Drosselklappe nach der Gattung des Patent anspruches 7.

Es ist allgemein bekannt, den Querschnitt eines Ansaugtraktes einer Brennkraft maschine für Verbrennungsluft mit Hilfe von Drosselklappen zu schließen und zu öff nen. Außerdem können diese Klappen auch in teilweise geöffnetem Zustand ver wendet werden. Diese Nutzung bietet den Vorteil, das Ansauggeräusch in den Be triebsbereichen des Motors zu reduzieren, in denen nicht der vollständige Quer schnitt des Ansaugtraktes zur Versorgung mit Verbrennungsluft benötigt wird. Dies geschieht durch teilweises Schließen der Drosselklappe. Dabei soll der Flächenquer schnitt des rohluftseitigen Strömungskanals in Anpassung an den Betriebszustand möglichst eng gehalten werden. Im Vollleistungs-Arbeitspunkt wird die Luftzufuhr zum Motor durch eine vollständige Öffnung des Rohrquerschnitts gewährleistet. Der verbleibende Flächenquerschnitt zwischen Rohrwandung und Drosselklappe kann z. B. proportional zum erforderlichen Massenstrom eingestellt werden. Dies bewirkt in erster Näherung immer dieselbe mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Drosselklappe.

Die stufenlose Verstellung der Drosselklappe wirft jedoch Probleme auf. Bei kleinen benötigten Flächenquerschnitten ergeben sich zwischen Rohrwandung und Drossel klappe schmale Spalte, die zu ungünstigen Strömungsbedingungen führen können. Insbesondere, wenn die Drosselklappe und der Rohrquerschnitt rund ausgeführt sind kann durch die sichelförmigen Spalte ein Pfeifgeräusch entstehen, welches unange nehmer auffällt, als das zu vermeidende Ansauggeräusch.

Eine Lösungsmöglichkeit dieses Problems wird in der EP 889 228 vorgeschlagen. Danach weist das Ansaugrohr der Brennkraftmaschine zwei Teilquerschnitte auf, die durch eine Zwischenwand voneinander getrennt werden. Die Drosselklappe befindet sich nur in einem der Teilquerschnitte, wodurch bei geringen Drehzahlen des Motors der eine Teilquerschnitt des Ansaugrohrs verschlossen werden kann. Hierdurch läßt sich eine Reduzierung des Ansauggeräusches erzielen.

Das Mehrkammerprofil für die beschriebene Ansaugvorrichtung verursacht jedoch zusätzliche Kosten. Es entsteht ein höherer Materialaufwand, der nicht zuletzt auch zu einer Erhöhung des Gesamtgewichtes der Ansaugvorrichtung führt, und die Ferti gung wird erschwert. Darunter leidet die Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Lö sung, weswegen deren Verwendung zumindest bei kostengünstigen Varianten von Motorbaureihen ausgeschlossen werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Verengung des Quer schnitts eines Leitungssystems zu schaffen, welche zuverlässig im Betrieb und ko stengünstig in der Herstellung ist und ein günstiges akustisches Verhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und 6 gelöst. Fer ner wird ein Verfahren zur Steuerung einer Drosseleinrichtung gemäß Anspruch 7 beansprucht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Leitungssystem weist eine Drosselklappe auf, die schwenk bar in einem Querschnitt des Leitungssystems angeordnet ist. Das Leitungssystem führt ein zu drosselndes Fluid. Erfindungsgemäß ist jedoch die Drosselklappe so di mensioniert, daß sie in der Schließstellung einen Restquerschnitt frei läßt. Mit Schließstellung ist diejenige Stellung der Drosselklappe gemeint, in der durch diese die maximale Fläche des zu drosselnden Querschnitts abgedeckt wird. Ist die Dros selklappe eben ausgeführt, so wird die Schließstellung erreicht, wenn die Drossel klappenfläche sich senkrecht zur Fluidströmung befindet.

In dieser Schließstellung steht im Vergleich zu herkömmlichen Drosselklappen je doch noch der Restquerschnitt zur Durchleitung des Fluids zur Verfügung. Wird die Drosselklappe im Einzugbereich des Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine ver wendet, so ist ein vollständiger Verschluß des Ansaugquerschnitts nicht gewünscht. Daher kann die Drosselklappe so dimensioniert werden, daß sie in der Schließstel lung den Querschnitt nicht vollständig abzudecken vermag. Die senkrechte Ausrich tung der Klappe ist akustisch gesehen von großem Vorteil. Auf diese Weise werden Schallwellen, die von der Brennkraftmaschine durch den Ansaugtrakt zur Mündung des Ansaugrohres gelangen, von der Drosselklappe reflektiert. Dies führt zu einer Verminderung des Ansauggeräusches, da die Schallwellen das System nicht durch die Ansaugöffnung verlassen können. Die reflektierten Schallwellen werden den an kommenden überlagert, was zu einer Teil- oder vollständigen Löschung führen kann.

Auf diese Weise kann das Ansauggeräusch der Brennkraftmaschine vor allen Dingen im unteren und mittleren Drehzahlenbereich verringert werden. Gleichzeitig werden Pfeifgeräusche verhindert, wie sie bei herkömmlichen Drosselklappen auftreten, wenn diese bis auf einen Spalt geschlossen werden. Zur Verhinderung des Pfeifge räusches wird der Restquerschnitt vorteilhafterweise ringförmig um die Drosselklappe angeordnet. Die Drosselklappe muß dabei nicht rund ausgeführt sein. Es ist genauso eine ovale oder eckige Ausführung denkbar, wobei der Querschnitt des Leitungssy stems zur Klappenform passen muß.

Die Drosselklappe kann durch verschiedene Aktuatoren angetrieben werden. Es bieten sich z. B. elektrische Schrittmotoren oder stufenlos verstellbare U-Dosen an. Auch eine stufige Verstellung der Drosselklappe ist denkbar. Selbst eine Ausfüh rungsform mit lediglich zwei Stufen, also geschlossener und geöffneter Drosselklap pe, die kostengünstig durch eine Unterdruckdose angesteuert werden kann, bringt die beschriebenen akustischen Vorteile. Allerdings läßt sich dann die Akustik des Saugrohres nicht mehr stufenlos an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine anpassen. Es sind vielmehr Betriebsbereiche zu definieren, in denen die verschiede nen Schaltstellungen der Drosselklappe verwendet werden.

Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung wird die Drossel klappe im engsten Querschnitt eines Rohrabschnittes mit venturiförmigen Quer schnittsverlauf angeordnet. Der venturiförmige Verlauf des Rohres wirkt sich eben falls günstig auf die Akustik des Saugrohres aus.

Die Drosselklappe muß nicht rund sein. Sie kann vielmehr verschiedene Formen aufweisen, z. B. rechteckig sein. Der Querschnitt des zugehörigen Leitungsabschnitts muß entsprechend an die Klappenform angepaßt sein. Dementsprechend muß der die Drosselklappe umgebende und von der Wandungen des Leitungssystem be grenzte Restquerschnitt auch nicht kreisringförmig sein. Der ringförmige Restquer schnitt paßt sich vielmehr den Konturen an. Wichtig bei der Gestaltung des Rest querschnittes ist lediglich, daß unabhängig von der Klappenstellung keine Bereiche entstehen, in denen der Abstand zwischen Klappenrand und Wandung des Leitungs systems so gering wird, daß Pfeifgeräusche entstehen können.

Die beschriebenen akustischen Effekte lassen sich besonders effizient nutzen, wenn der Restquerschnitt einen Flächenanteil von 10% bis 40% der Gesamtfläche des Querschnittes, in dem sich die Drosselklappe befindet, ausmacht. Damit steht einer seits ein genügend großer Querschnitt für die Betriebszustände des Motors mit ma ximalen Luftbedarf zur Verfügung, andererseits läßt sich der Querschnitt wirksam durch die Drosselklappe verringern.

Eine Drosselklappe weist die erfindungsgemäßen Vorteile auf, die bei einem Einbau in das bereits beschriebene Leitungssystem zu optimalen Ergebnissen hinsichtlich der Akustik des Leitungssystems führen. Dies bedeutet, daß Strömungsgeräusche des zu leitenden Fluids verringert und Schallwellen im Inneren des Leitungssystems gedämpft werden.

Um bei Anwendung der Drosselklappe im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ei ne günstige Ansaugakustik über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftma schine zu erzielen, wird ein Verfahren gemäß Anspruch 7 angewandt, bei dem die Klappenstellung in Abhängigkeit von der Bedarfsmenge der Brennkraftmaschine an Verbrennungsluft verstellt wird. Hierbei können unterschiedliche Parameter als Meß größen verwandt werden. Eine einfache und kostengünstige Lösung ergibt sich, wenn als Stellgröße für den Klappenwinkel α die Drehzahl n der Brennkraftmaschine genutzt wird. Diese steht in den meisten Betriebszuständen des Motors in einem proportionalen Verhältnis zu dessen Luftbedarf. Bei geringen Drehzahlen kann dann die Drosselklappe mehr und mehr geschlossen werden, bis sie ihre Schließstellung erreicht. Im oberen Drehzahlenbereich wird die Drosselklappe vollständig geöffnet, so daß nur noch die Projektion der Klappenkante den Querschnitt des Ansaugtrak tes verengt.

Das Verfahren zur Steuerung der Drosselklappe muß in jedem Falle gewährleisten, daß der Verbrennungsmotor in jedem Betriebszustand mit der minimalen benötigten Luftmenge versorgt wird. Es kann aber sinnvoll sein, in bestimmten Betriebszustän den die Luft nicht auf das notwendige Minimum zu beschränken, sondern einen grö ßeren Ansaugquerschnitt zur Verfügung zu stellen. Das hat die Folge, daß das An sauggeräusch größer als der erreichbare Minimalwert ist. Dies ist z. B. in der Be schleunigungsphase des Motors sinnvoll, um dem Fahrer eine akustische Rückkop pelung zur Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Hierdurch kann dieser die Schalt zeitpunkte für die Gänge besser erkennen. Soll der Motor jedoch über längere Zeit bei konstanter Drehzahl betrieben werden, so ist ein möglichst geringes Ansaugge räusch gewünscht.

Eine entsprechende Ansteuerung der Drosselklappe kann erreicht werden, wenn zu sätzlich die Beschleunigung des Motors als Signal erfaßt wird. In Verbindung damit, kann eine Erfassung des im Saugrohr vorliegenden Unterdruckes eine zusätzliche Regelgröße darstellen, mit der eine Mangelversorgung der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft in jedem Fall verhindert werden kann.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen her vor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von sche matischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ansaugtraktes mit Drosselklappe und deren Ansteuerung,

Fig. 2 den teilweisen Querschnitt durch ein montagegespriztes Drosselklap penelement mit teilweise geschnitten dargestellten Befestigungsflan schen und

Fig. 3 den Schaltruckpegel des Ansauggeräusches in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Drosselklap penstellungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist der Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine 10 schematisch dargestellt. Dieser besteht aus einem venturirohrförmigen Ansaugstutzen 11, einem Luftfilter 12, einem Saugrohr 13, das zu einzelnen Zylindern 14 führt, wobei ein Auspuff 15 die Ausleitung der verbrannten Gase gewährleistet.

Eine Drosselklappe 16 ist im engsten Querschnitt 17 des Venturierohrs unterge bracht. Die Drosselklappe 16 gemäß Fig. 1 ist im vollständig geöffneten Zustand dargestellt. Die Drosselklappe wird ausgehend von einem Einlaß 18 des Ansaugstut zens angeströmt, was durch einen Pfeil angedeutet ist.

Die Stellung a der Drosselklappe wird über einen Schrittmotor 19 eingestellt. Die Einstellung erfolgt über eine Kontrolleinheit 20, die verschiedene Stellgrößen des Ansaugtraktes zur Ermittlung der Drosselklappenstellung auswertet. Zum einen kann der anliegende Unterdruck p im Saugrohr gemessen werden. Außerdem wird die Drehzahl n der Brennkraftmaschine ermittelt, das Drehzahlsignal kann weiterhin un ter Zuhilfenahme eines Zeitmessers 21, der das Signal t liefert, zur Ermittlung der Beschleunigung n' genutzt werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drosselklappe 16. Die Drosselklappe ist einteilig mit einer Klappenwelle 22 und Stützrippen 23 hergestellt. Diese Einheit ist in einen Klappenrahmen 24 montagege spritzt, so daß sich ein Drosselklappenmodul 25 ergibt. Dieses kann als Standard bauteil in unterschiedlichen Leitungssystemen montiert werden, wozu am Umfang drei Befestigungsflansche 26 mit Aufnahmelöchern 27 für Schrauben angebracht sind.

Die Drosselklappe ist in Schließstellung dargestellt. Zwischen einer Klappenkante 28 und einer Innenwand 29 des Klappenrahmens 24 ist ein Restquerschnitt 30 gebildet, der durch das Fluid durchströmbar ist. Die Klappe kann nun stufenlos geöffnet wer den, wodurch ein durch die Projektion der Klappenkanten auf den Querschnitt 17 und durch den Innenrand des Restquerschnittes umrandeter Öffnungsquerschnitt sich immer weiter öffnet. Der maximale Öffnungsquerschnitt 31 bei vollständig geöffneter Klappe ist in Fig. 2 angedeutet, wobei der Rand des Öffnungsquerschnitts in die sem Fall durch die Klappenwelle 22 gebildet wird. Der von dem Fluid effektiv durch strömbare Querschnitt wird jeweils aus der Summe des Restquerschnitts und des Öffnungsquerschnitts gebildet.

Die Wirkung der Drosselklappenverstellung ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Bei spiel wird die Drosselklappenstellung in Abhängigkeit von der Drehzahl n verstellt. Die vollständig geschlossene Drosselklappe deckt 81% der Querschnittsfläche ab. Die gestrichelten Kurven zeigen das Ansauggeräusch bei verschiedenen Drossel klappenstellungen an. Es wird deutlich, daß durch ein schrittweises Verschließen der Drosselklappe bis auf den Restquerschnitt das Ansauggeräusch um bis zu 18 dB gesenkt werden kann.

Bei geschlossener Drosselklappe wird der Motor im höheren Drehzahlenbereich je doch nicht genügend mit Verbrennungsluft versorgt. Daher muß in Abhängigkeit von der Drehzahl die Drosselklappe immer weiter geöffnet werden. Hierdurch ergibt sich die resultierende Kurve des Ansauggeräusches a, wobei gemäß dieser Kurve die Drosselklappe derart gestellt wird, daß die Brennkraftmaschine immer mit der mini mal nötigen Luftmenge versorgt wird.

Zur Erhöhung des Ansauggeräusches in der Beschleunigungsphase kann die Dros selklappe jedoch auch schneller als notwendig geöffnet werden. Hierdurch steigt in diesen Bereichen das Ansauggeräusch der Brennkraftmaschine und ermöglicht auf diese Weise eine akustische Rückkoppelung für den Fahrer. Diese Betriebsart ist durch die Kurve b dargestellt.

Zur Erzeugung der Kurve b wird die Drosselklappe diskontinuierlich im Verhältnis zur Drehzahl verstellt. Hierdurch läßt sich das Ansauggeräusch beliebig beeinflussen, wodurch auch Kundenwünsche nach einem Sounddesign erfüllt werden können.

Claims

1. Leitungssystem (11, 12, 13) mit Drosselklappe (16), insbesondere Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, wobei die Drosselklappe schwenkbar in einem Querschnitt (17) angeordnet ist, der Teil des Leitungssystems für das zu drosselnde Fluid ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (16) in der Schließstellung einen Restquerschnitt (30) freiläßt, der durch das zu drosselnde Fluid durchströmbar ist.

2. Leitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (16) im engsten Querschnitt eines Rohrabschnittes mit einem venturiförmigen Querschnittsverlauf, insbesondere einem Ansaugstutzen (11) angeordnet ist.

3. Leitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (16) im Bereich des Einlasses (18) des Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.

4. Leitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Restquerschnitt (30) die Drosselklappe (16) ringförmig umgibt.

5. Leitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Restquerschnitt (30) einen Flächeninhalt aufweist, der zwischen 10 und 40% der Gesamtfläche des Querschnittes (17) ausmacht.

6. Drosselklappe (16) zum Einbau in einen Querschnitt (17) dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (16) in der Schließstellung einen Restquerschnitt (30), der Teil des Querschnittes (17) ist, freiläßt.

7. Verfahren zur Steuerung einer Drosselklappe (16) gemäß einem der vorherigen Ansprüche im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenstellung in Abhängigkeit von der Bedarfsmenge der Brennkraftmaschine an Verbrennungsluft verstellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße für die Klappenstellung die Drehzahl der Brennkraftmaschine herangezogen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen der Fahrer eine akustische Rückkopplung zum Motor benötigt, der durch die Drosselklappe freigegebene Öffnungsquerschnitt (31) größer gewählt wird, als dies für eine hinreichende Versorgung der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft notwendig wäre.