DE3836507A1 - Drosselklappen-stelleinheit fuer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drosselklappen-Stelleinheit zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine, insbesondere unter Anwendung eines Motors mit einer umlaufenden Abtriebswelle.

Bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge geht der Trend zur Realisierung einer elektronischen Regelung der Drossel­ klappe.

Die elektronische Drosselklappenregelung verwendet norma­ lerweise eine Drosselklappen-Stelleinheit, die z. B. einen Schrittmotor umfaßt, der entsprechend einem Drosselklappen- Öffnungssignal, das den momentanen Betätigungsgrad des Fahrpedals bezeichnet, regelbar ist, wodurch eine Rückfüh­ rungsregelung der Drosselklappenöffnung unter unterschied­ lichen Bedingungen erfolgt. Die elektronische Drosselklap­ penregelung soll verschiedene Vorteile mit sich bringen, etwa einen sparsameren Kraftstoffverbrauch und eine bessere Abgasreinigung, und zwar durch Verbesserung der Einstell­ genauigkeit des Drosselklappen-Öffnungsgrads.

Eine elektronische Drosselklappen-Regelvorrichtung der genannten Art ist z. B. in der geprüften JP-PS 58-25 853 angegeben. Ferner ist eine weitere Art einer elektronischen Drosselklappen-Regelvorrichtung bekannt, bei der die Öff­ nung der Drosselklappe durch einen Elektromagneten geregelt wird. Ein Beispiel für diese elektronische Drosselklappen- Regelvorrichtung ist z. B. in dem nichtgeprüften JP-GM 60-23 238 gezeigt. Dabei wird der Elektromagnet durch Motorkühlwasser gekühlt, das im Kreislauf durch den Motor geführt wird.

Normalerweise ist die Temperatur im Motorraum innerhalb eines weiten Bereichs zwischen ca. -30°C und 100°C änder­ bar, und zwar zwischen dem Zeitpunkt, in dem die Brenn­ kraftmaschine im Winter abgestellt ist, und dem Zeitpunkt, in dem sie in der warmen Jahreszeit im Vollastbetrieb arbeitet. Wenn als Stelleinheit für die elektronische Drosselklappen-Regelvorrichtung ein Motor verwendet wird, steigt die Innentemperatur des Motors auf einen Wert an, der noch höher als die Lufttemperatur im Motorraum ist, und zwar aufgrund der in dieser Luft enthaltenen Wärme und der vom Motor selbst erzeugten Wärme. Wenn die Lufttemperatur im Motorraum hoch ist, geschieht es daher häufig, daß der Motor zur Drosselklappeneinstellung so stark überhitzt wird, daß die maximal zulässige Temperatur überschritten wird. In diesem Fall wird die Impedanz der Motorwicklung so hoch, daß die Ausgangsleistung der Drosselklappen-Stell­ einheit verringert wird, so daß die Drosselklappe nicht richtig einstellbar ist.

Das gleiche Problem ergibt sich auch, wenn als Stelleinheit der elektronischen Drosselklappen-Regelvorrichtung ein Elektromagnet verwendet wird. Denn der Elektromagnet neigt bei hoher Lufttemperatur im Motorraum zur Überhitzung, so daß die Ausgangsleistung abnimmt und dadurch eine richtige Einstellung der Drosselklappe behindert wird; aus diesem Grund wird der Elektromagnet durch das Motorkühlwasser gekühlt, wie vorstehend gesagt wurde. Ein weiteres Problem, das bei der elektronischen Drosselklappen-Regelvorrichtung mit Elektromagnet auftritt, besteht darin, daß wegen der verminderten Leistungsfähigkeit des Elektromagneten die Regelung der Saugluft nur möglich ist, wenn die Luftdurch­ flußmenge vergleichsweise gering ist, also z. B. nur, wenn die Brennkraftmaschine mit relativ niedriger Drehzahl von ca. 3000 U/min arbeitet. Wenn die Funktionsfähigkeit der Stelleinheit aufgrund eines Temperaturanstiegs der Luft im Motorraum beeinträchtigt ist, wird durch das Vakuum im Ansaugkrümmer die Verschiebung der Drosselklappe ernsthaft beeinträchtigt.

Dagegen kann eine Drosselklappen-Stelleinheit mit Schritt­ motor eine ausreichend hohe Kraft erzeugen, um die Saug­ luftdurchflußmenge z. B. bis zu einer Motordrehzahl von 8000 U/min zu regeln. Daher kann die Drosselklappen-Stell­ einheit mit Schrittmotor innerhalb eines weiten Bereichs eingesetzt werden. Es ist jedoch zu beachten, daß die ma­ gnetische Leistung des Magnets des Schrittmotors, der übli­ cherweise aus einer Ferritlegierung oder einer Al-Ni-Co- Legierung besteht, verringert wird, wenn die Innentempera­ tur einen bestimmten Wert übersteigt. Dadurch nimmt das Drehmoment des Schrittmotors an dem Wendepunkt, an dem die Magnettemperatur ca. 120°C übersteigt, ab, wie Fig. 7 zeigt. Da der Schrittmotor selbst keine Daten betreffend die Rotationslage seines Läufers speichern kann, wird in diesem Fall der Drosselklappen-Öffnungsgrad drastisch ver­ ringert, so daß die Saugluftdurchflußmenge auf den gleichen Betrag wie im Fall des Leerlaufzustands der Maschine ge­ drosselt wird. Diese Erscheinung, die normalerweise mit "außer Takt" bezeichnet wird, beeinflußt unmittelbar die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und damit die Sicherheit der Fahrgäste wegen des abrupten Schließens der Drossel­ klappe. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Regelung der Temperatur des Motors der Drosselklappen-Stelleinheit ein sehr kritisches Problem. Bisher sind aber leider noch keine Vorschläge gemacht wurden, um die Temperatur des Schritt­ motors einer Drosselklappen-Stelleinheit zu regeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, die wirksame Kühlung eines als Drosselklappen-Stelleinheit eingesetzten Rotations­ motors mit einfachen Kühlmitteln zu erreichen, um so jede Verminderung der Leistung der Drosselklappen-Stelleinheit auszuschließen und dadurch eine höhere Präzision und Si­ cherheit bei der Drosselklappenregelung von Brennkraft­ maschinen sicherzustellen.

Drosselklappen-Stelleinheit für eine Brennkraftmaschine, mit einem Rotationsmotor, der den Öffnungsgrad einer im Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine angeordneten Drossel­ klappe nach Maßgabe eines Signals einstellt, das dem von der Brennkraftmaschine geforderten Drosselklappen-Öffnungs­ grad entspricht, ist gekennzeichnet durch eine in einem Teil des Rotationsmotors oder im Bereich desselben ange­ ordnete Kühlwasserleitung, die einen Teil des durch die Brennkraftmaschine umgewälzten Kühlwassers so im Kreislauf führt, daß die im Rotationsmotor erzeugte Wärme durch das in der Kühlwasserleitung zirkulierende Kühlwasser aufge­ nommen wird.

Während des Betriebs der Brennkraftmaschine steigt die Temperatur des als Drosselklappen-Stelleinheit verwendeten Motors infolge der Wärme der Luft im Motorraum und der vom Motor selbst erzeugten Wärme auf einen hohen Pegel an. Gemäß der Erfindung wird jedoch diese Wärme in wirksamer Weise durch das Kühlwasser aufgenommen, das im Kreislauf durch die nahe dem Motor angeordnete Kühlwasserleitung geführt wird, so daß der Temperaturanstieg der Motorwick­ lung unter dem höchstzulässigen Pegel gehalten und die Leistungsfähigkeit des Motors nicht nachteilig beeinflußt wird. Infolgedessen wird die Gefahr, daß die Impedanz der Motorwicklung ansteigt, unterdrückt, und der sichere Be­ trieb der Drosselklappen-Stelleinheit, d. h. das Ausgangs­ drehmoment des Motors der Drosselklappen-Stelleinheit, wird gewährleistet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der elektronischen Drossel­ klappen-Regelvorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen wichtigen Teil der ersten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines wichtigen Teils der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen wichtigen Teil der zweiten Ausführungsform;

Fig. 6 eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Temperatur der einen als Drosselklappen-Stell­ einheit dienenden Motor umgebenden Luft und der Temperatur im Inneren des Motors zeigt; und

Fig. 7 eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Temperatur im Inneren des Motors der Drossel­ klappen-Stelleinheit und dem Ausgangsdrehmo­ ment dieses Motors zeigt.

In Fig. 1 ist ein Drosselklappenfühler 2 mit der Welle 1 a einer Drosselklappe (nicht gezeigt), die in einem Drossel­ klappengehäuse 1 angeordnet ist, verbunden. Somit kann der Öffnungsgrad der Drosselklappe durch den Drosselklappen­ fühler 2 erfaßt werden. Die Welle 1 a der Drosselklappe steht ferner in Antriebsverbindung mit einem Schrittmotor 3, der als Drosselklappen-Stelleinheit dient. Wie Fig. 2 zeigt, besteht dabei der Schrittmotor 3 aus einer Motor­ wicklung 3 a und einem Läufer 3 b mit der Abtriebswelle 3 c. Diese Abtriebswelle 3 c ist mit der Welle 1 a einer Drossel­ klappe über ein im Drosselklappengehäuse 1 befindliches Untersetzungsgetriebe gekoppelt.

Die Drosselklappe arbeitet unter Steuerung durch eine Dros­ selklappen-Steuerschaltung 4. Ein Fahrpedallagefühler 5 erfaßt die Betriebslage eines Fahrpedals 6. Eine Kühlwas­ serleitung 7 besteht aus einem ersten Leitungsabschnitt 7 a, der in Kontakt mit der Seitenwand des Drosselklappengehäu­ ses 1 montiert ist, und einem zweiten Leitungsabschnitt 7 b, der mit dem ersten Leitungsabschnitt 7 a verbunden und in Kontakt mit dem Gehäuse des Schrittmotors 3 montiert ist. Die Kühlwasserleitung 7 steht mit der Kühlwasserleitung für die Brennkraftmaschine in Verbindung, so daß ein Teil des Kühlwassers durch sie zirkuliert. Der erste Leitungsab­ schnitt 7 a dient dem Erwärmen des Drosselklappengehäuses 1 durch das warme Kühlwasser, um dadurch eine Vereisung der Drosselklappe bei Verwendung des Fahrzeugs in einem kalten Gebiet zu vermeiden, und der zweite Leitungsabschnitt 7 b dient der Aufnahme der vom Schrittmotor 3 erzeugten Wärme. Eine Rückholfeder ist auf der Welle 1 a der Drosselklappe befestigt und kann eine die Reibung im Motor 3 überstei­ gende Kraft erzeugen, um dadurch die Drosselklappe bei Los­ lassen des Fahrpedals 6 zwangsweise rückzustellen.

Im Betrieb erfaßt der Fahrpedallagefühler 5 die Stellung des Fahrpedals 6, und die Steuerschaltung 4 errechnet den Öffnungsgrad der Drosselklappe, der der eingedrückten Stellung des Fahrpedals 6 entspricht, und liefert das Dros­ selklappen-Öffnungssignal. Der Schrittmotor 3 wird entspre­ chend dem Drosselklappen-Öffnungssignal angetrieben und gesteuert, so daß er die Drosselklappe in jeden gewünschten Öffnungsgrad einstellt. Gleichzeitig wird die Lage der Drosselklappe durch den Drosselklappenfühler 2 bestätigt und an die Steuerschaltung 4 rückgeführt, so daß eine ge­ schlossene Regelschleife gebildet ist, um eine Rückfüh­ rungsregelung der Drosselklappe durchzuführen.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine steigt die Temperatur der Luft im Motorraum an, und gleichzeitig erzeugt der Schritt­ motor 3 selbst Wärme, so daß die Innentemperatur des Schrittmotors auf einen Wert über der Lufttemperatur im Motorraum ansteigt. Tatsächlich übersteigt die Motorinnen­ temperatur bei weitem 100°C, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen wird. Die Vollinienkurve von Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur im Inneren eines konven­ tionellen Schrittmotors und der Umgebungslufttemperatur. Es ist ersichtlich, daß die Temperatur im Inneren des Schritt­ motors aufgrund der hohen Lufttemperatur im Motorraum und der vom Schrittmotor selbst erzeugten Wärme weit über 100°C liegt, wenn die Umgebungslufttemperatur beträchtlich über 0°C liegt. Normalerweise wird, wenn die Temperatur im Inneren des Schrittmotors ca. 100°C übersteigt, das Aus­ gangsdrehmoment des Motors aufgrund eines Anstiegs der Impedanz der Motorwicklung drastisch verringert, wie Fig. 7 zeigt. Ein solches Problem kann überwunden werden, indem eine geeignete Maßnahme zur Kühlung des Schrittmotors 3 ergriffen wird. Eine an der Wandung der Drosselklappe befestigte Wasserleitung 7 a, die eine Vereisung der Dros­ selklappe verhindern soll, liefert keine ausreichende Kühl­ wirkung für den Schrittmotor. Daher ist an einem Teil des Gehäuses des Schrittmotors 3 ein Rohrverbindungsteil 9 vor­ gesehen, und der zweite Kühlwasser-Leitungsabschnitt 7 b ist an diesen angeschlossen. Damit wird das Kühlwasser aus der Kühlwasserleitung der Brennkraftmaschine durch den ersten Leitungsabschnitt 7 a und den zweiten Leitungsabschnitt 7 b zugeführt. Normalerweise liegt die Temperatur des Motor­ kühlwassers im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine zwi­ schen 80 und 90°C. Daher ist das Kühlwasser immer noch fähig, den Schrittmotor 3 wirksam zu kühlen, so daß die Temperatur des Schrittmotors im wesentlichen auf dem glei­ chen Pegel wie die Kühlwassertemperatur, also ausreichend weit unter 100°C, der maximal zulässigen Temperatur des Schrittmotors 3, gehalten wird. Die Strichlinienkurve von Fig. 6 zeigt den Verlauf der Temperatur im Inneren des Schrittmotors 3, wenn dieser mit dem durchgeleiteten Kühl­ wasser der Brennkraftmaschine gekühlt wird. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Temperatur im Motorinneren ungeachtet der Umgebungslufttemperatur im wesentlichen gleichbleibend gehalten wird. Infolgedessen wird die Wicklung 3 a im Schrittmotor 3 wirksam gekühlt und ein Anstieg der Impedanz der Motorwicklung vermieden, so daß der Schrittmotor 3 das Ausgangsdrehmoment gleichbleibend halten kann.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung des Ausführungsbei­ spiels hervorgeht, kann die Ausgangs-Charakteristik der Drosselklappen-Stelleinheit in bezug auf die Temperatur ungeachtet strenger Einsatzbedingungen auf einem in der Praxis annehmbaren Pegel gehalten werden, wodurch die Regelgenauigkeit verbessert und gleichzeitig ein auf etwa­ ige Regelausfälle zurückgehender Unfall verhindert wird, so daß die Zuverlässigkeit der Drosselklappen-Regelvorrichtung insgesamt und damit die Sicherheit der Fahrgäste verbessert wird.

Es ist zu beachten, daß dieser bedeutende Effekt durch eine einfache zusätzliche Maßnahme erreicht wird, indem einfach eine Kühlwasserleitung zusätzlich vorgesehen wird, die von der Kühlwasserleitung der Brennkraftmaschine abzweigt. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Drosselklappen-Stell­ einheit durch ein sehr einfach aufgebautes Kühlsystem wesentlich verbessert werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, das sich vom ersten dadurch unterscheidet, daß der zweite Leitungsabschnitt 7 b nicht direkt am Gehäuse des Schritt­ motors, sondern an einem Teil des Drosselklappengehäuses 1 nahe dem Schrittmotor 3 über eine Rohrbefestigung 10 be­ festigt ist (Fig. 5). Selbstverständlich absorbiert eine derartige Kühlleitung die Wärme des Schrittmotors 3 ebenso wirksam wie bei der ersten Ausführungsform durch das Kühl­ wasser der Brennkraftmaschine.

Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen werden zwar als Drosselklappen-Stelleinheit jeweils Schrittmotoren verwen­ det; dies ist jedoch nur beispielhaft, und die Drosselklap­ pen-Stelleinheit kann auch durch andere Vorrichtungen gebildet sein, z. B. durch einen Gleichstrommotor mit umlaufender Abtriebswelle.

Der als Drosselklappen-Stelleinheit verwendete Rotations­ motor kann also durch ein Kühlsystem wirksam gekühlt wer­ den, das einfach und leicht unter Verwendung des durch die Brennkraftmaschine im Kreislauf geführten Kühlwassers auf­ gebaut ist, so daß eine übermäßige Verringerung des Ab­ triebsdrehmoments des Motors ungeachtet strenger Einsatz­ bedingungen vermieden wird; dadurch werden die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Einstellung der Drosselklappe verbessert.

Claims (1)

1. Drosselklappen-Stelleinheit für eine Brennkraftmaschine, mit einem Rotationsmotor (3), der den Öffnungsgrad einer im Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine angeordneten Drossel­ klappe (1) nach Maßgabe eines Signals einstellt, das dem von der Brennkraftmaschine geforderten Drosselklappen-Öff­ nungsgrad entspricht, gekennzeichnet durch eine in einem Teil des Rotationsmotors (3) oder im Bereich desselben angeordnete Kühlwasserleitung (7 a, 7 b), die einen Teil des durch die Brennkraftmaschine umgewälzten Kühlwassers so im Kreislauf führt, daß die im Rotations­ motor (3) erzeugte Wärme durch das in der Kühlwasserleitung zirkulierende Kühlwasser aufgenommen wird.