CN101988429A - 运行废气门的废气门调节驱动器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用于废气涡轮增压器(2)中废气门(7)的废气门调节装置(8)的调节驱动器(10)运行的方法，其中借助调节驱动器(10)能够电调节废气门(7)，并且废气门(7)设在内燃机的排气管(5)中，其中根据废气门(7)的开启位置，能够调节流经废气涡轮增压器(2)的废气量，其中在废气门(7)的关闭位置期间，借助电功率控制调节驱动器(10)，以便根据作用在废气门(7)上的废气反压的变化，提供废气门(7)的变化的关闭压力。

Description

运行废气门的废气门调节驱动器的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种具有增压内燃机的发动机系统。这种内燃机在排气管中具有涡轮，其接收废气焓并驱动压缩机以压缩增压空气。本发明特别涉及一种方法和装置，其使用于废气门的废气门调节驱动器运行，以控制由涡轮接收的废气焓。
背景技术
在现有技术中，为了控制或操纵废气涡轮增压器(ATL)的废气门，已公知了各种不同的系统。该废气门相当于位于绕过废气涡轮增压器的涡轮的旁通管中的旁通阀。该废气门应用于，将废气焓转换为废气涡轮增压器的涡轮的扭矩并且借助该扭矩驱动压缩机，其将压缩的增压空气提供给内燃机。
除了传统的气动系统，目前还发展了用于废气门的电气调节驱动器，如线性调节器，其可以提供明显较大的调节力。这类线性调节器与从壳体中引出的拉杆或传动机构相连接，并且可以驱动将废气门打开或关闭的挺杆。用于保持废气门的开启位置的力可以在这类调节驱动器的拉杆中达到约250N。这种力必须被持久地提供，以便使废气门例如可靠地保持在被关闭的位置上，从而使废气门保持在密封。
现有技术中电气调节驱动器具有缺陷，即它们为了持久地提供所必需的废气门的关闭力具有高的电流或能量需求，这导致显著的损耗热量。由于在关闭状态中以高关闭力的持续加载，故这类调节驱动器要被尺寸设置得庞大并由此也需要巨大的结构空间。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种方法、装置和废气门调节系统，借助其可以改进的方式、特别是改进能量效率的方式，使用于废气门的电控制的调节驱动器运行。此外本发明的任务是，提供可能性方案，其在与现有技术相比在相同的损耗功率情况下提供更高的调节力。
这一任务通过权利要求1的方法以及通过并列独立权利要求限定的装置和废气门调节系统来解决。
本发明的另外优选的方案说明在从属权利要求中说明。
按照第一方面，设置使用于废气涡轮增压器的废气门调节装置的调节驱动器运行的方法，其中借助调节驱动器可以电调节该废气门，废气门设在内燃机的排气管中，由此根据废气门的开启位置可以调节流经废气涡轮增压器的废气量，其中在废气门的关闭位置期间借助电功率控制该调节驱动器，以便根据作用在废气门上的废气反压的变化，提供该废气门的变化的关闭压力。
依此可以有利方式根据为保持废气门的关闭位置的实际的关闭力需求，将电功率输送到调节驱动器并且因此损耗功率被减小。此外在与现有技术比，在相同的损耗功率情况下可以在提高了关闭力需求时使关闭力提高。
按照一种具体实施例，调节驱动器的电功率可以被调节，以便给废气门提供瞬时关闭压力，其特别地比瞬时废气反压大了一个绝对或相对量。
此外该调节驱动器的电功率可以被调节，以便提供废气门的关闭压力，其随时间的变化超前于废气反压的变化。
可以规定，该调节驱动器借助引起关闭压力的电功率被控制，该关闭压力随时间的变化基本上与废气反压成比例和/或有时间偏置地成比例。
此外该调节驱动器可以借助由施加电流的电功率被控制。
该调节驱动器可以借助电功率根据配属于废气涡轮增压器的内燃机的曲轴的曲轴位置被控制。
按照另一方面，设置使用于废气涡轮增压器的废气门调节装置的调节驱动器运行的装置，其中废气门借助调节驱动器可以电调节，废气门设在内燃机的排气管中，由此该装置构造成用于根据废气门的开启位置调节流经废气涡轮增压器的废气量，并在废气门的关闭位置期间借助电功率如此控制该调节驱动器，以便根据作用在废气门上的废气反压的变化提供废气门的变化的关闭压力。
按照另一方面，设置用于控制废气门的废气门调节系统。该废气门调节系统包括：用于调节流经废气涡轮增压器的废气量的废气门和在废气涡轮增压器的废气门调节装置中可电控制的调节驱动器以用于控制该废气门，其中该废气门调节系统被如此构造，以便借助电功率控制该调节驱动器，从而废气门的开启位置并因此流经废气涡轮增压器的废气量可以调节；此外该废气门调节系统被构造成用于在废气门的关闭位置期间借助电功率控制该调节驱动器，从而根据作用在废气门上的废气反压的变化提供该废气门的变化的关闭压力。
附图说明
下面借助附图详细地阐述本发明的优选的具体实施例。附图表明：
图1是废气门调节系统的具体实施例，
图2是用于表明在废气门调节驱动器的恒定供电情况下，废气门的关闭压力和废气反压的曲线变化图，
图3是示意表明废气门调节系统的结构方框图，
图4是表明在废气门调节驱动器的电流最小供电情况下，废气门关闭压力和废气反压的变化过程的曲线图，
图5是另一表明在废气门调节驱动器的力最大供电情况下，废气门关闭压力和废气反压的变化过程的曲线图。
在下面的说明和附图中，相同的附图标记对应于相同功能或类似功能的元件。
具体实施方式
图1以示例方式表明本发明的废气门调节系统1，其被应用在内燃机(未示出)的废气涡轮增压器2中。废气涡轮增压器2是在现有技术中公知的并且优选是具有涡轮3，其被设在从内燃机燃烧室引出的排气管5的废气流4中。这种从内燃机中排出的废气4可以其他方式被输送到例如催化器或排气设备中。
内燃机例如可以是柴油发动机或汽油机，例如被应用在机动车，例如轿车或载货车中，被应用在轮船中、飞机中或摩托车中等等。本发明原则上说可以与按冲程运行的任何内燃机相结合使用。
涡轮3通过内燃机燃烧室的废气流4被驱动。由涡轮接收的扭矩取决于废气流的废气焓。涡轮3通过轴6与压缩机轮相连接，其以公知方式被设在进气歧管中(未示出)以压缩要输送给内燃机的空气(增压空气)，并且因此提供必需的增压压力。随着内燃机的转速提高，该废气流4的废气焓也提高并且涡轮3也接收更高的机械功率。涡轮3通过轴6驱动压缩机轮。压缩机轮压缩要被输送到内燃机的增压空气。为了限定通过废气涡轮增压器实现的增压或内燃机的功率输出，并且因此例如避免其超负荷，废气涡轮增压器一般具有增压压力调节装置。
按照本发明，增压压力调节装置优选是借助旁通阀或借助所谓的废气门7实现。废气门7通过废气门调节装置8被控制。废气门7被设在绕过涡轮3的旁通管道中并且应用于，在需要情况下将一部分在进气侧(附图标记5a)输送到废气涡轮增压器2的废气从涡轮3或废气涡轮增压器2绕过，以便一部分废气能量从废气涡轮增压器绕过。因此可以避免涡轮3的涡轮转速的进一步升高。为了实现这个目的，废气门7必须被打开或被置于开启位置上。因此在废气门7开唐情况下，相比在废气门7的关闭位置时，较少部分的废气流4通过排气管5被用于冲击废气涡轮增压器2。
在废气门7的关闭位置，也就是说在完全关闭的旁通阀情况下，该废气流4的废气被完全地导过涡轮3。因此在废气涡轮增压器上的压力降是最高的并且废气门7必须克服废气流4的废气反压保持关闭或被保持在关闭位置上。其中该废气门7或废气门调节装置8优选是被构造成用于在例如该调节装置8所属的控制或单个操纵元件失效时，确保该废气门7的开启位置。因此该增压压力不会在这种故障情况下被建立，从而由内燃机提供的功率被减小。由此只有当调节能量例如借助废气门调节装置8被输送给废气门7时，才可以占据关闭位置。
废气门7可以被设置为具有阀座9a和封闭机构9b的盘阀9的结构形式，其通过与其连接的废气门调节装置8被操纵，亦即在开启位置及关闭位置之间运动。而且可以考虑锥阀，电气操纵的膜片或其他的阀解决方案，其可以通过电控制的废气门调节装置8进行调节。该废气门7例如可被设在废气涡轮增压器2中，但在另一种具体实施例中也可被设在废气涡轮增压器2外部的(内燃机的)排气管5中。
该废气门调节装置8—其通过施加电参数被电控制或被提供电功率—优选是被设置为具有配属的传动机构元件、拉杆元件或其他传动元件11的电气调节驱动器10的结构形式，其在该废气门调节装置8进行控制和操纵时，例如导致该封闭机构9b进入到阀座9a中或从那里退出。其中该调节驱动器10可以例如具有旋转电动机、直线电动机或类似物。
该废气门调节装置8—其具有控制驱动器10和传动元件11以用于操纵废气门7—是废气门调节系统1的组成部分。此外该废气门调节系统1包括传感器12，优选是位于内燃机的废气涡轮增压器2的压缩机侧(也就是说在进气歧管中)。传感器12检测瞬时的增压压力(在进气歧管中压缩的进入空气的压力)。在达到额定增压压力时传感器12产生相应的信号。该信号导致，废气门7被完全地或部分地打开并如此长时地保持这个位置，直至传感器12不再提供信号止。因此传感器12可被构造为压力监视器。
但优选是该废气门7的开启或关闭时间点在发动机控制器或发动机控制器13中确定，因此不再需要传感器12。该发动机控制器13就此而言可被视为废气门调节系统1的组成部分。
如果该废气门调节装置8例如由于传感器12的信号或源于发动机控制器13被电控制时，该废气门调节装置8例如通过操纵具有配属传动元件11的调节驱动器10就将废气门7例如转移到开启位置中。此时起一部分废气流就通过打开的废气门7从涡轮3绕过。
特别是对于低的发动机转速的情况，此时起值得希望的是，废气门7是被关闭的，因此全部的废气流4驱动该涡轮3。用于占据开启位置的信号在这种情况下例如是不存在的。
为了电控制该废气门7，以便它是被关闭的或被保持在关闭位置中，则废气门调节装置8被电控制，也就是说该废气门调节装置8通过施加电参数被输入电功率。这个可以例如借助电流控制器14实现，其被设置在发动机控制器13中。发动机控制器13提供用于内燃机的控制和调节功能并且同样是该废气门调节系统1的组成部分。
现在规定，用于控制该废气门调节装置8的电功率被如此调节，以便该废气门7的关闭位置也就是说废气门7的完全关闭的位置被保持。该调节可被如此实现，即电流或输送给调节驱动器10的电功率根据废气反压被调节，该废气反压相当于反作用于关闭的废气门7的废气流4的压力，因此在减小能量需求的同时确保连续维持该废气门7的关闭位置。
为了保持该关闭位置在废气门调节装置8上施加的电功率被如此输送到废气门调节装置8中或调节驱动器10中，以便在废气门7上的废气反压较高时施加到废气门调节装置8上的功率大于在废气反压较低情况下的功率。在内燃机运行中在废气门7上的废气反压由于内燃机冲程运行是波动的。该废气门调节装置8的控制被如此实现，即控制功率或起控制的电参数的随时间的变化与废气反压同步地波动。但是在废气门调节装置8的控制情况下在施加控制的电参数和废气反压之间可能必需微小的时间偏差，以便考虑例如在调节驱动器10中可能的电感。在相应变化中可同时或近似同时地达到最小值和最大值。根据废气反压，在关闭位置期间所输入的能量将发生变化。
因为内燃机的冲程运行是被固定地耦合到曲轴的角度位置上(假设内燃机具有曲轴)，故在废气门7的关闭位置中，废气反压的随时间的变化就取决于曲轴位置(曲轴角度)以及发动机转速。按照曲轴位置，废气反压和用于保持该废气门7的关闭位置的关闭力则发生变化(其中废气反压变化通常周期性地依赖于曲轴转角)。关闭力需求相当于为确保废气门7的足够密封性所要施加的调节力。就此而言在关闭位置中废气反压的变化或作为基础的曲轴位置的变化和该调节驱动器的控制是同步的。
在图2中表明了废气反压的周期性的变化和按照现有技术以恒定功率控制的废气门调节装置8的关闭压力的恒定曲线，其中关闭压力相当于不使废气门7开启的最大压力。通过上面描述的废气门调节装置8的控制，为保持废气门7的关闭位置要求的有效必需的电能相对传统的保持不变的控制15—其不考虑废气反压的压力波动—被明显地减小。但是按照本发明要求在任何的需求时刻都被提供所必需的关闭力。为此在相同的损耗功率情况下，当相对恒定通电15不需要的功率被分布在废气流4中的压力尖峰16上时，调节力替代地被明显提高。
为了实现在关闭位置时该废气门调节装置8的按照本发明要求满足需求的控制，优选的方式是，将为保持废气门7的关闭位置要求的电功率预先地确定，该电功率由于在废气门7上游在废气流4中的压力尖峰16，特别地由于不同的曲轴位置而变化。最大的关闭力例如仅仅需要用于明显的压力尖峰16或压力峰值，同时在具有部分明显减小的废气反压的中间阶段18中，显著较小的关闭力就足够了。
为了以满足需求的方式提供输送到调节驱动器10的功率，优选是该废气门调节系统1可确定所必需的功率要求。为此例如可以应用：在不同的发动机转速情况下该废气反压17(在废气门7的上游)相对(内燃机的)曲轴转角的变化、为了保持关闭位置该废气门7的关闭力需求作为废气反压的函数以及用于废气门调节装置8的电流需求(取决于要被施加的关闭力)。废气反压17相对曲轴转角(在内燃机的相应转速情况下)的变化在现有技术中大多是公知的并且例如在发动机控制器13中相应地通过特性曲线族或函数确定。该废气门7为了提供关闭压力或保持关闭位置的关闭力需求，可以作为废气反压的函数以静态方式例如在热气试验台上、优选是通过测量被求得，并且被输到相应的特性曲线族或函数中。为了提供关闭力，用于废气门调节装置8、特别是用于调节驱动器10的控制功率在控制技术上例如是公知的(数据页)或者例如通过测量是可以求得的。
基于这些参数可以在给定情况下借助适当必要的超前，将用于保持废气门7的关闭位置的电流或能量需求例如与曲轴同步(根据发动机转速)地计算出并且被输出。为了计算可应用该发动机控制器13的计算单元19或例如计算机。
在废气门调节系统1的用图3示意描述的简化具体实施例情况下可以借助特性曲线族20作为发动机转速和曲轴位置函数求得标准额定电流21作为电流调节的预值参数。特性曲线族20例如被储存在发动机控制器13的存储单元22中。借助特性曲线族20和已提供的或所测量的内燃机运行状态值23(转速、曲轴转角)就可以求得标准额定电流21，其取决于曲轴位置。额定电流21相当于要为废气门调节装置8提供的电功率。
这个求得的标准额定电流21可以接着用于与压差相关的因数相乘(附图标记24)并作为额定电流预值25被传输到发动机控制器13的例如电流控制器14中。
为了求得与压差相关的并优选是与曲轴位置相关的因数，例如可以使用废气门7上的有效平均压差(在废气门7的入口侧和出口侧之间的压差)。该压差可基于不同的发动机运行状态参数，例如负载、废气温度、燃烧室中的环境压力、转速等进行模拟。借助同样在发动机控制器13中存储的特性曲线，可以基于发动机运行状态参数求得可用的因数。
这个可应用的、基于运行参数和特性曲线求得的与压差相关的因数则例如在乘法器24中与标准额定电流21相乘，因此获得额定电流25作为用于电流控制器14的预值，额定电流与废气反压的变化17相对应。
在图4中表明了该废气反压的周期变化和通过用额定电流25控制所实现的关闭压力变化，其中该关闭压力相当于不使废气门7开启的最大压力。可以看出，该关闭压力是适配于废气反压的并且相对废气反压基本上成比例的，例如以微小时间偏置成比例地变化的。其中该关闭压力在任何时间点都是大于废气反压的。特别是该关闭压力被如此选择，以便关闭压力相对相应的废气反压高出一个绝对或相对量。必要的时间上的偏置可例如由于调节驱动器10的响应时间而产生，该响应时间则要求相对废气反压的变化设有电参数控制的提前。这个可以在废气门调节装置8或调节驱动器10的控制中被相应地考虑。
该废气反压17和要输送的电功率—其在用额定电流25控制的方式中被施加—现在起在随时间的变化中同时上升和下降，或者说一致地形成最大值和最小值。同时上面描述的功率控制优选是只有当关闭位置已被识别时、例如当没有传感器12的信号存在时才发生。在关闭位置以外，废气门7的定位例如传统地通过位置调节或位置控制实现。
电流控制器14优选是发动机控制装置或发动机控制器13的组成部分并且规定，该废气门调节装置8或其中包含的调节驱动器10被如此控制，以便该废气门提供必需的关闭压力。为了用希望的功率或希望的电流控制该废气门调节装置8可以规定，电流控制器14通过选择脉冲宽度调制的占空比来调节所希望的功率或希望的电流，借助其控制该废气门调节装置8。
图5以示例方式表明了一种力最大供电27的情况下，废气门调节装置8的关闭压力的变化。假设，废气门调节装置8和废气门7的尺寸相对先前描述的以恒定供电15的系统是未被改变的，则在相同有效的损耗功率情况下，相对于恒定供电情况，借助废气门调节装置8就可以实现更高的废气门7的关闭压力。较高的关闭压力可以例如实现一种更好的废气门的密封性。理论上说在相同的功率下直至80％的关闭力提高是可能的。而且在这个具体实施例中所输入的电功率在废气门7的关闭位置期间是根据废气反压的变化而改变的。
在功率最小化的情况和在最大供电的关闭力情况下，所必需的电功率—其在废气门7的关闭位置期间为了提供关闭压力而应被施加的或应被使用—可由发动机控制器13确定。

Claims (9)

1.使用于废气涡轮增压器(2)中废气门(7)的废气门调节装置(8)的调节驱动器(10)运行的方法，其中借助调节驱动器(10)能够电调节废气门(7)，并且废气门(7)设在内燃机的排气管(5)中，其中根据废气门(7)的开启位置，能够调节流经废气涡轮增压器(2)的废气量，其中在废气门(7)的关闭位置期间，借助电功率控制调节驱动器(10)，以便根据作用在废气门(7)上的废气反压的变化，提供废气门(7)的变化的关闭压力。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，
调节该调节驱动器(10)的电功率，以便给废气门(7)提供大于瞬时废气反压的瞬时关闭压力。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
调节该调节驱动器(10)的电功率，以便给废气门(7)提供关闭压力，其中电功率的随时间的变化超前于所述废气反压的变化(17)。
4.按前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
借助引起关闭压力的电功率控制调节驱动器(10)，所述关闭压力的随时间的变化基本上与废气反压(17)成比例。
5.按前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
通过施加电流借助电功率控制该调节驱动器(10)。
6.按前面权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
借助电功率根据配属于涡轮增压器(2)的内燃机的曲轴的曲轴位置来控制该调节驱动器(10)。
7.使用于废气涡轮增压器(2)中废气门(7)的废气门调节装置(8)的调节驱动器(10)运行的装置，其中废气门(7)借助调节驱动器(10)能够电调节，并且废气门设在内燃机的排气管(5)中，由此该装置构造成用于根据废气门(7)的开启位置调节流经废气涡轮增压器(2)的废气量，并用于在废气门(7)的关闭位置期间，借助电功率控制调节驱动器(10)，从而根据作用在废气门(7)上的废气反压的变化，提供废气门(7)的变化的关闭压力。
8.用于控制废气门(7)的废气门调节系统(1)，其包括：
-用于调节流经废气涡轮增压器(2)的废气量的废气门(7)；
-在废气涡轮增压器(2)的废气门调节装置(8)中可电控制的调节驱动器(10)，以用于控制该废气门(7)；
其中该废气门调节系统(1)构造成用于借助电功率控制调节驱动器(10)，从而能够调节废气门(7)的开启位置以及流经废气涡轮增压器(2)的废气量；
其中废气门调节系统被构造成用于在废气门(7)的关闭位置期间，借助电功率控制该调节驱动器(10)，从而根据作用在废气门(7)上的废气反压的变化，提供该废气门(7)的变化的关闭压力。
9.如权利要求8所述的废气门调节系统(1)的应用，其特征在于，其应用在内燃机中。
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PB01 Publication
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