DE4319015A1 - Vorrichtung zur Steuerung eines Massenflusses - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steue­ rung der Durchflußmasse eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, bestehend aus einem rohrartigen Gehäuse, das einen durch eine im wesentlichen kreiszylindrische Innenwand be­ grenzten Gesamt-Strömungsquerschnitt aufweist, sowie einer im Gehäuse drehbar gelagerten Drosselklappe, die aus einer Schließstellung etwa senkrecht zur Gehäuseachse in eine Öffnungsstellung etwa parallel zur Gehäuseachse schwenkbar ist, wobei die Innenwand im Schwenkbereich der Drossel­ klappe diametral zur Drehachse Ansätze mit einer inneren Begrenzung entsprechend einer Kugelkalotte aufweist, durch die der Gesamt-Strömungsquerschnitt verkleinert und bei ei­ ner Drehung der Drosselklappe bewirkt wird, daß bis zu ei­ nem vorgegebenen Winkel α1 eine etwa lineare Änderung des Steuerquerschnitts eintritt.

Derartige Vorrichtungen werden in großem Umfang bei der Steuerung der Luftzufuhr zu Fahrzeugmotoren eingesetzt, und dienen in Verbindung mit Vergasern oder Einspritzpumpen zur Regelung der Leistung des Motors bzw. der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.

Wird eine angepaßte Drosselklappe in einem Gehäuse mit kreiszylindrischem Querschnitt aus der Schließstellung (α etwa 0°) in die Öffnungsstellung (α etwa 90°) gedreht, dann ändert sich der für den Durchfluß zur Verfügung stehende Steuerquerschnitt F bezogen auf den maximalen Querschnitt F₀ nach der Formel 1-cosα von 0 auf 100% (vergleiche Fig. 1). Da der verfügbare Differenzdruck an der Drosselklappe eines Fahrzeugmotors nicht konstant ist, verläuft die Kenn­ linie der durchgesetzten Luftmasse nur im unteren Stellbe­ reich proportional zum Steuerquerschnitt. Im Bereich zwi­ schen 20 und 30% des Drosselklappenstellbereichs hat die Kennlinie einen Wendepunkt. Im oberen Stellbereich steigt die Luftmasse mit dem Stellwinkel der Drosselklappe nur noch wenig an. Die Kennlinie läuft asymptotisch in den Ma­ ximalwert des Luftmassendurchsatzes ein (Fig. 2).

Mit der Kennlinie der "unbehandelten" Vorrichtung ist eine optimale Leistungs- bzw. Geschwindigkeitsregelung nicht möglich. Die Kennlinie ist im unteren Bereich zu steil, so daß zu kleinen Änderungen der Drosselklappenstellung große Änderungen der durchgesetzten Luftmasse und damit der Mo­ torleistung gehören. Es hat daher nicht an Versuchen ge­ fehlt, die Kennlinie der Drosselklappen-Steuereinrichtung den Erfordernissen besser anzupassen (vgl. DE-A-32 44 103, FR-A-22 34 497).

Bei der gattungsmäßigen Vorrichtung hat man auf der kreis­ zylindrischen Innenwand diametral zur Drehachse der Dros­ selklappe zwei Ansätze mit einer inneren Begrenzung ent­ sprechend einer Kugelkalotte angebracht. Damit kann man er­ reichen, daß der Steuerquerschnitt sich im unteren Stell­ bereich in Abhängigkeit vom Stellwinkel der Drosselklappe weniger steil ändert und daß der Luftmassendurchsatz bis zu einem wählbaren Stellwinkel praktisch linear ansteigt. Das ist für eine feinfühlige Steuerung insbesondere im unteren Leistungsregelbereich sehr erwünscht. Je nach Gestaltung, Anordnung und Erstreckung der kalottenförmigen Gegenfläche zur Drosselklappenkante, kann der Anstieg der Luftmassen­ kennlinie und deren Übergang in den Verlauf der "unbehandelten" Vorrichtung festgelegt werden (vergleiche Fig. 3).

Nachteilig ist, daß die Ansätze den Gesamt-Strömungsquer­ schnitt verringern und daß der Übergang von dem flach an­ steigenden Anfangsbereich der Kennlinie zu dem "normal" verlaufenden Bereich unstetig ist. Während dem ersten Nach­ teil mit einem insgesamt größeren Gesamt-Strömungsquer­ schnitt normalerweise leicht abgeholfen werden kann, konnte der zweite Nachteil bisher nicht mit vertretbarem Aufwand überwunden werden.

Insbesondere wenn ein bestimmter Verlauf der Luftmassen- Kennlinie vorgeschrieben wird, ergeben sich oft Probleme, weil die möglichst genaue Anpassung der gattungsmäßigen Vorrichtung in einem Teilbereich der Kennlinie zu wachsen­ den Abweichungen im anderen Teilbereich und erheblichen Un­ stetigkeiten im Übergangsbereich führen kann.

Es besteht somit die Aufgabe, eine Vorrichtung der gat­ tungsmäßigen Art so weiterzubilden, daß die genannten Nach­ teile überwunden werden können. Insbesondere soll mit mög­ lichst einfachen Mitteln dafür gesorgt werden, daß die Vor­ richtung flexibel an vorgegebene Kennlinien angepaßt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die An­ sätze eine Ausnehmung aufweisen, durch die der Gesamt-Strö­ mungsquerschnitt vergrößert und bei einer Drehung der Dros­ selklappe bewirkt wird, daß die Änderung des Steuerquer­ schnitts nur bis zu einem Winkel kleiner α1 etwa linear verläuft.

Mit den Ausnehmungen in den Ansätzen kann in vielfältiger Form auf die Luftmassenkennlinie Einfluß genommen werden. Einerseits kann der Einengung des Gesamt-Strömungsquer­ schnitts durch die Ansätze entgegengewirkt werden, so daß der Basisquerschnitt des Gehäuses für einen gegebenen Maxi­ maldurchsatz nicht oder nur noch geringfügig vergrößert werden muß. Zum anderen kann man den flach ansteigenden Be­ reich der Kennlinie zu größeren Stellwinkeln der Drossel­ klappe hin ausdehnen und gleichzeitig einen weicheren Über­ gang zu dem oberen Stellbereich realisieren.

Dabei können die Ausnehmungen in sehr einfacher Weise mit­ tels parallel zur Gehäuseachse geführten Drehwerkzeugen herausgearbeitet werden, bis man eine Kontur ermittelt hat, die den Erfordernissen am besten entspricht und schließlich in der Serienfertigung auch gießtechnisch herzustellen ist. Auch für nachträgliche Feinabstimmungen und Korrekturen eignet sich diese Art der Herstellung der Ausnehmungen sehr gut. Neben dem Werkzeugradius r steht der Abstand zwischen Werkzeugachse und Gehäuseachse (Exzentrizität E) als Para­ meter zur Verfügung. Dabei kann man durch Änderung des Ra­ dius und/oder der Exzentrizität sowohl die Fläche der Aus­ nehmung als auch den Stellwinkel der Drosselklappe bestim­ men, von dem ab die Ausnehmung querschnittsvergrößernd wirkt. Fig. 4 zeigt, wie durch Änderung des Werkzeugradius der Ausnehmung bei sonst festgehaltenen Parametern der Luftdurchsatz an eine vorgegebene Kennlinie angeglichen werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Abwandlungen des Erfin­ dungsgedankens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 be­ schrieben. Weitere Einzelheiten werden anhand der Fig. 1 bis 6 erläutert.

Fig. 1 zeigt das Verhältnis Steuerquerschnitt F zu maxi­ malem Querschnitt F₀ als Funktion des Stellwin­ kels α.

Fig. 2 zeigt die Kennlinie des Luftmassendurchsatzes m über dem Stellbereich S der Drosselklappe.

Fig. 3 zeigt zwei mit der gattungsmäßigen Vorrichtung erreichbare Kennlinien.

Fig. 4 zeigt wie die Luftmassenkennlinie durch Änderung des Werkzeugradius r und der Exzentrizität E un­ ter Beibehaltung des α1-Punktes an eine vorgege­ bene Kennlinie angepaßt werden kann.

Fig. 5 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Vorrich­ tung gemäß der Erfindung.

Fig. 6 zeigt eine vertikale Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 5.

Gemäß Fig. 1 ändert sich der relative Steuerquerschnitt F/F₀ nach der bekannten Beziehung 1-cosα mit dem Stellwin­ kel α. Dargestellt ist der Steuerquerschnitt, der sich bei kreiszylindrischem Maximalquerschnitt F₀ ergibt, wenn man die Querschnittsminderung durch die Drosselklappenwelle und die endliche Dicke der Drosselklappe selbst vernachlässigt. Dieser Kurve kommt daher nur theoretische Bedeutung zu.

Fig. 2 zeigt den gemessenen Luftmassendurchsatz m als Funk­ tion des Stellbereichs S der Drosselklappe, der im allge­ meinen etwas weniger als 90 Grad Stellwinkel entspricht. Die Kurve zeigt bei S = 0% einen endlichen Luftdurchsatz.

Diese sogenannte Leckluftmenge läßt sich nie ganz vermei­ den, weil man die Drosselklappe in der Schließstellung nicht völlig abdichtend einklemmen will und auch im Bereich der Wellenlagerung gewisse Undichtigkeiten in Kauf genommen werden müssen.

Ein Vergleich der Kurven aus Fig. 1 und Fig. 2 zeigt, daß der Luftmassendurchsatz m nicht nur vom Steuerquerschnitt F abhängig ist, denn sonst würden die Kurven nicht nur im An­ fangsbereich ähnlich sein. Als wichtigste weitere Einfluß­ größe ist vielmehr noch die wirksame Druckdifferenz zu be­ rücksichtigen, die bei Drosselklappen für Fahrzeugmotoren mit steigendem S immer geringer wird, so daß sich der typi­ sche Verlauf m = f(S) gemäß Fig. 2 ergibt.

Diese "natürliche" Luftmassenkennlinie für einen "unbehandelten" kreiszylindrischen Querschnitt entspricht nicht den Bedingungen, die für eine optimale Umsetzung der mit dem Fahrpedal bewirkten Verstellung der Drosselklappe und der davon abhängigen Leistungsentfaltung des Fahrzeug­ motors gefordert werden. Insbesondere für den unteren Stellbereich wird ein weniger steil und möglichst linear ansteigender Luftmassendurchsatz gefordert.

Dies kann man gemäß Fig. 3 mit einer gattungsmäßigen Vor­ richtung erreichen, bei der zur Drehachse diametral gegen­ über angeordnete Ansätze vorgesehen sind, deren innere Be­ grenzung einer Kugelkalotte entspricht. Die Kugelkalotte hat üblicherweise den gleichen Radius wie der kreiszylin­ drische Drosselklappenstutzen bzw. wie die Drosselklappe. Der Mittelpunkt der Kugelkalotten ist gegenüber der Drehachse der Drosselklappe aber um mindestens etwa die halbe Dicke x der Drosselklappe nach oben und unten ver­ setzt. Dadurch ergibt sich ein flacher, linearer Anstieg des Luftmassendurchsatzes in über dem Stellbereich S, der sich bis zu einem Winkel α1 erstreckt, bis zu dem die den Strömungsquerschnitt einengenden Ansätze die Drosselklappe bei einer Öffnungsbewegung "begleiten". Bei weiterer Öff­ nung der Drosselklappe erfolgt ein unstetiger Übergang in eine Kennlinie etwa gemäß Fig. 2.

Der Winkel α1 liegt für die obere Kurve in Fig. 3 bei etwa 33% und für die untere Kurve bei etwa 52% S. Bei sonst gleichen Parametern kann also der Endpunkt des linearen Teils der Kennlinie zu größeren Werten S verschoben werden, wenn die Drosselklappe über einen größeren Stellwinkel von den Ansätzen "begleitet" wird. Dadurch erstrecken sich die Ansätze aber auch weiter in den Strömungsquerschnitt hinein, mit der Folge, daß der bei 100% S erreichte maxi­ male Luftdurchsatz auch deutlich kleiner ist als bei der oberen Kurve, bei der die Ansätze die Drosselklappe nur bis zu einem kleineren Winkel α1 "begleiten".

Fig. 4 zeigt eine vorgegebene Kennlinie (durchgezogen) so­ wie 6 "Annäherungs-Kennlinien" (gepunktet), die sich ergeben, wenn man durch Ausnehmungen gemäß der Erfindung versucht, den Luftdurchsatz m möglichst genau an die Vorgaben anzupassen.

Die Ausnehmungen wurden mit koaxial zur Gehäuseachse ge­ führten zylindrischen Werkzeugen hergestellt, bei denen der Radius r und die Exzentrizität E verändert wurden. Auf diese Weise kann eine praktisch beliebige Annäherung an die Vorgabe erreicht und gleichzeitig der "Knickpunkt" α1 beibe­ halten werden. Die am weitesten links dargestellte "Annäherungs-Kennlinie" folgt im unteren und oberen Bereich genau der Vorgabe und erreicht auch 100% m. Lediglich im mittleren Bereich könnte die Annäherung noch besser sein. Da die Kennlinie aber auch hier nahezu parallel zur Vorgabe verläuft und es nicht so sehr darauf ankommt, ob ein be­ stimmter Luftdurchsatz bei 50 oder 53% S erreicht wird, kann diese "Annäherungs-Kennlinie" als hinreichend überein­ stimmend mit der Vorgabe angesehen werden.

Im übrigen zeigt Fig. 4, wie mit den erfindungsgemäßen Aus­ nehmungen auf den Kennlinienverlauf Einfluß genommen werden kann.

Aus Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß der Fußpunkt des "erzeugenden" Radius R der Kugelkalotte gegenüber der Drehachse der Drosselklappe um x versetzt ist. Damit wird einmal die endliche Dicke der Drosselklappe berücksichtigt, zum anderen aber auch die Steilheit des linearen Teils der Kennlinie bestimmt. In der linken Bildhälfte ist der sich bis zum Winkel α1 erstreckende Ansatz ohne Ausnehmung dar­ gestellt, während in der rechten Bildhälfte eine Ausnehmung A gemäß der Erfindung dargestellt ist. Es ist ohne weiteres klar, daß durch die Ausnehmung A einmal der Strömungsquer­ schnitt vergrößert und zum anderen der Knickpunkt α1 zu kleineren Werten S verlagert wird. Dabei können Werkzeug­ radius r und Exzentrizität E so aufeinander abgestimmt wer­ den, daß bei gleicher effektiver Größe der Ausnehmung, d. h. bei gleicher Querschnittsvergrößerung der Knickpunkt α1 verändert wird, oder daß unter Beibehaltung des Knick­ punktes α1 unterschiedlich große Ausnehmungen realisiert werden.

Zylindrische Ausnehmungen, die mit parallel zur Gehäuse­ achse geführten Werkzeugen hergestellt werden, erlauben - wie Fig. 4 zeigt - bereits beliebige Annäherungen an vorge­ gebene Kennlinien. Mit Ellipsoid-Kalotten und nicht zylin­ drischen oder mit schräg zur Gehäuseachse geführten Werk­ zeugen hergestellten Ausnehmungen stehen im Rahmen des Er­ findungsgedankens weitere Parameter zur Verfügung.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Durchflußmasse eines flüs­ sigen oder gasförmigen Mediums, bestehend aus einem rohrar­ tigen Gehäuse, das einen durch eine im wesentlichen kreis­ zylindrische Innenwand begrenzten Gesamt-Strömungsquer­ schnitt aufweist, sowie einer im Gehäuse drehbar gelagerten Drosselklappe, die aus einer Schließstellung etwa senkrecht zur Gehäuseachse in eine Öffnungsstellung etwa parallel zur Gehäuseachse schwenkbar ist, wobei die Innenwand im Schwenkbereich der Drosselklappe diametral zur Drehachse Ansätze mit einer inneren Begrenzung entsprechend einer Kugelkalotte aufweist, durch die der Gesamt-Strö­ mungsquerschnitt verkleinert und bei einer Drehung der Drosselklappe bewirkt wird, daß bis zu einem vorgegebenen Winkel α1 eine etwa lineare Änderung des Steuerquerschnitts eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze eine Aus­ nehmung aufweisen, durch die der Gesamt-Strömungsquer­ schnitt vergrößert und bei einer Drehung der Drosselklappe bewirkt wird, daß die Änderung des Steuerquerschnitts nur bis zu einem Winkel kleiner α1 etwa linear verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze eine innere Begrenzung entsprechend einer Kugelkalotte mit dem gleichen Radius wie die Drosselklappe aufweisen und daß die Mittelpunkte der Kugelkalotte um einen vorgegebenen Betrag x gegenüber der Drehachse der Drosselklappe nach oben bzw. unten versetzt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmungen von einer Kreiszylinderfläche be­ grenzt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen mit einem exzentrisch und parallel zur Achse des rohrförmigen Gehäuses geführten Drehwerkzeug hergestellt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Ausnehmungen durch den Radius r des Werkzeugs und den Abstand seiner Drehachse zur Achse des rohrförmigen Gehäuses (Exzentrizität E) bestimmt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, jedoch mit der Maßgabe, daß nur einer der beiden Ansätze eine Ausneh­ mung aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, jedoch mit der Maßgabe, daß nur ein Ansatz vorgesehen ist und daß die Innenwand in dem zur Drehachse diametral gegenüberliegenden Bereich kreiszylindrisch ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, jedoch mit der Maßgabe, daß die Ansätze eine innere Begrenzung ent­ sprechend einer Ellipsoid-Kalotte aufweisen.