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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines vorbestimmten Durchsatzes,
beispielsweise eines minimalen Durchsatzes, bei einer variablen Turbinengeometrie
eines Turboladers.
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Im
Allgemeinen weisen Turbolader eine Abgasturbine auf, die im Abgasstrom
des Motors angeordnet ist und die über eine Welle mit einem Verdichter
im Ansaugtrakt verbunden ist. Durch den Abgasstrom des Motors wird
die Turbine hierbei in Rotation versetzt und treibt den Verdichter
an. Durch den Verdichter wird dabei der Druck im Ansaugtrakt des
Motors erhöht,
so dass während
des Ansaugtaktes eine größere Menge
Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Somit steht
mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge
zur Verfügung.
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Des
Weiteren sind aus dem Stand der Technik Turbolader bekannt, die
mit einer variablen Turbinengeometrie VTG versehen sind. Die variable
Turbinengeometrie VTG dient dazu, die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten
an unterschiedliche Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Lastwechsel, besser
anpassen zu können.
Um das zu erreichen, befinden sich verstellbare, nicht rotierende
Leit- bzw. Drehschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. In
geschlossener Leitschaufel-Position führen dabei hohe Umfangskomponenten
der Strömungsgeschwindigkeit
und ein hohes Enthalpiegefälle
zu einer hohen Turbinenleistung und damit einem hohen Ladedruck.
In voll geöffneter
Position der Leitschaufeln erschließt sich wiederum der maximale Durchsatz
der Turbine bei hohem zentripetalem Anteil des Geschwindigkeitsvektors
der Strömung.
Der Vorteil dieser Leistungsregelung gegenüber beispielsweise einer Wastegate
bzw. Bypass-Regelung liegt darin, dass immer der volle Abgasmassenstrom über die
Turbine geleitet wird und daher immer der volle Abgasmassenstrom
zur Leistungsumsetzung genutzt wird.
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Bei
einem Verstellsystem einer variablen Turbinengeometrie, mit beweglichen
Leitschaufeln in einem Leitgitter, wird die Turbinengeometrie normalerweise
auf einen bestimmten minimalen Durchsatz eingestellt. Diese Einstellung
erfolgt hierbei mittels eines mechanischen Anschlags.
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Aus
dem Stand der Technik ist ein weiteres Verfahren zur Einstellung
eines minimalen Durchsatzes bei einem Turbolader mit einer variablen
Turbinengeometrie bekannt. Hierbei wird der Durchfluss durch den
Leitapparat als Massenstrom gemessen und eingestellt. Es wird hierfür ein Überdruck
angelegt und konstant eingeregelt. Durch Bewegen der Verstellschaufeln
ergibt sich bei einem gegebenem Druck und einer gegebenen Temperatur
eine bestimmte Luftmasse pro Zeiteinheit. Die Einstellung der variablen
Turbinengeometrie erfolgt bei stehendem Rotor. Die Rotorlagerung
wird hierbei am Montageplatz nicht mit Öl versorgt.
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Die
zuvor beschriebenen Verfahren zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie
haben jedoch den Nachteil, dass die Streuung des Turbinenwirkungsgrads,
des mechanischen Wirkungsgrads und des Verdichterwirkungsgrades
zu einer großen Streuung
von Drehmoment/Leistung und Abgaszusammensetzung führen. Des
Weiteren resultiert dies in einer großen Streuung des Ladedrucks.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu
einer verbesserten Einstellung eines Turboladers mit einer variablen
Turbinengeometrie bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren
bereitgestellt, zum Einstellen eines vorbestimmten Durchsatzes bei
einer va riablen Turbinengeometrie eines Turboladers, wobei das Verfahren die
Schritte aufweist:
- – Bereitstellen eines Turboladers
mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG), bestehend aus mehreren
Drehschaufeln, wobei der Turbolader eine Turbine und einen Verdichter
aufweist,
- – Vorgeben
eines vorbestimmten Soll-Parameters, der mit dem einzustellenden,
vorbestimmten Durchsatz des Turboladers korreliert,
- – Antreiben
des Turboladers mittels einem gasförmigen Medium, das so eingestellt
ist, dass der Soll-Parameter erzielt wird, wenn die Drehschaufeln
der variablen Turbinengeometrie eine Position einnehmen, bei welcher
der Turbolader den vorbestimmten Durchsatz aufweist,
- – Bestimmen
und Vergleichen des erzielten Ist-Parameters mit dem vorbestimmten
Soll-Parameter, weicht, der erzielte Ist-Parameter von dem vorbestimmten
Soll-Parameter ab,
so erfolgt ein Verstellen der Drehschaufeln.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Streuung des Ladedrucks gering gehalten
werden kann, da die Position der Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie
des Turboladers eingestellt werden, wenn dieser über ein gasförmiges Medium
angetrieben wird, beispielsweise im Rahmen des Betriebsauswuchtens.
Mit anderen Worten der Turboladerrotor steht hierbei nicht still
sondern rotiert beispielsweise mit einer möglichst hohen Auswuchtdrehzahl,
um zum Beispiel einen vorbestimmten minimalen Durchsatz des Turboladers
einzustellen bei einer geschlossenen Position der Drehschaufeln.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Soll-Parameter
beispielsweise eine vorgegebene Soll-Drehzahl, ein vorgegebener Soll-Durchsatz
oder ein vorgegebener Soll- Ladedruck.
Das gasförmige
Medium wird so eingestellt bzw. durch den Turbolader ein- bzw. durchgeleitet, dass
der Turbolader die vorgegebene Soll-Drehzahl bzw. den vorgegebenen
Soll-Durchsatz bzw. den vorgegebenen Soll-Ladedruck erreicht, wenn
die Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie eine Position
einnehmen, in der der Turbolader den vorbestimmten, gewünschten
Durchsatz aufweist. Beispielsweise einen minimalen Durchsatz, wenn
die Drehschaufeln in einer geschlossenen Position sind oder einen
maximalen Durchsatz, wenn die Drehschaufeln in einer vollständig geöffneten
Position sind. Auf diese Weise kann für jeden Turbolader dessen variable
Turbinengeometrie recht genau eingestellt werden, wobei die Serienstreuung
des Ladedrucks der Turbolader verhältnismäßig gering gehalten werden
kann.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden die Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie VTG in
einer geschlossenen Position eingestellt, wenn der vorbestimmte
Durchsatz der minimalen Durchsatz ist und in einer vollständig geöffneten
Position eingestellt, wenn der vorbestimmte Durchsatz der maximale
Durchsatz ist.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird der Turbolader bzw. dessen Laufräder an eine Schmiermittelzuführung angeschlossen,
um zu ermöglichen,
dass diese beweglich sind, wenn der Turbolader über das gasförmige Medium
angetrieben wird. Auf diese Weise kann der Turbolader mit sehr hohen
Drehzahlen angetrieben werden und so der Turbolader verhältnismäßig genau
eingestellt werden.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird das Verfahren während
des Betriebsauswuchtens des Turboladers durchgeführt. Dies hat den Vorteil,
dass während
des Betriebsauswuchtens beispielsweise der Turbolader auf eine hohe
Auswuchtdrehzahl beschleunigt werden kann, um beispielsweise einen
vorbestimmten, minimalen Durchsatz einzustellen. Die Erfindung ist
jedoch nicht darauf beschränkt,
sondern kann grundsätzlich
auch bei anderen Gelegenheiten angewendet wer den. Das Betriebsauswuchten
stellt lediglich eine bevorzugte Situation dar, in der das Verfahren
angewendet werden kann, da hier außerdem der Turbolader an die
Schmiermittelzuführung
angeschlossen wird, um den Turboladerrotor geeignet rotieren zu
lassen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird als gasförmiges
Medium beispielsweise Druckluft eingesetzt. Diese Medium ist leicht
bereitzustellen und einzustellen und wird beispielsweise auch beim
Betriebsauswuchten eingesetzt.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden die Drehschaufeln beispielsweise über eine Verstellschraube in
ihrer Position eingestellt. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit
zum Einstellen der Position der Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie
dar. Grundsätzlich
kann aber auch jede andere geeignete Verstelleinrichtung verwendet
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Ablaufdiagramm zum Einstellen eines vorbestimmten Durchsatzes bei
einer variablen Turbinengeometrie eines Turboladers gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein
Ablaufdiagramm zum Einstellen eines vorbestimmten Durchsatzes bei
einer variablen Turbinengeometrie eines Turboladers gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 ein
Ablaufdiagramm zum Einstellen eines vorbestimmten Durchsatzes bei
einer variablen Turbinengeometrie eines Turboladers gemäß einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Gemäß der Erfindung
wird die variable Turbinengeometrie VTG des Turboladers vorzugsweise während des
Betriebsauswuchtens eingestellt, da hier der Turboladerrotor mittels
Druckluft auf eine möglichst
hohe Auswuchtdrehzahl beschleunigt wird. Dazu wird der Turbolader
an eine Schmierölversorgung
angeschlossen.
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Das
zuvor mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebene Verfahren,
bei welchem die Einstellung der Leit- bzw. Drehschaufeln der variablen
Turbinengeometrie ohne die umliegenden Gehäuse erfolgt oder bei stehendem
Rotor bzw. Turbinenrad, hat wie zuvor beschrieben den folgenden
Nachteil. In einem bestimmten Betriebspunkt und damit einem bestimmten
Abgasmassenstrom streut das Aufstauverhalten des Leitgitters zwar
von einem Turbolader zum nächsten
(Serienstreuung) relativ gering. Die Streuung des Turbinenwirkungsgrads,
des mechanischem Wirkungsgrads und des Verdichterwirkungsgrads führt jedoch
zu einer großen
Streuung des Ladedrucks. Dies wiederum führt zu einer großen Streuung
von Drehmoment bzw. Leistung und Abgaszusammensetzung.
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Das
Verfahren zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie VTG gemäß der Erfindung
hat nun den Vorteil, dass es diese Streuung der Wirkungsgrade, d.
h. des Turbinenwirkungsgrads, des mechanischem Wirkungsgrads und
des Verdichterwirkungsgrads, nimmt bzw. diese möglichst gering hält, indem
es die Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie des Turboladers
in Abhängigkeit
von einem vorbestimmten Durchsatz, beispielsweise einem minimalen
Durchsatz, bei laufendem Turboladerrotor einstellt. Dies führt zwar
auf der einen Seite zu einer Vergrößerung der Streuung des Aufstauverhaltens
bzw. des Ab gasgegendrucks. Auf der anderen Seite kann dafür jedoch
die Streuung des Ladedrucks sehr gering gehalten werden.
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Da
die Motorsteuerung für
eine bestimmte Drehmoment/Leistungsanforderung des Fahrers im Prinzip
einen Massenstrom im Kennfeld abgelegt hat, der sich wiederum aus
Ladedruck (Luftmasse) und Einspritzmenge (Kraftstoffmasse) zusammensetzt,
kann insbesondere ein Dieselmotor das erfindungsgemäße Verfahren
in einer kleineren Serienstreuung bezüglich Drehmoment/Leistung und
der Abgaszusammensetzung umsetzen. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf Dieselmotoren beschränkt,
sondern kann auf alle Motoren angewendete werden, beispielsweise
Ottomotoren, die mit einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie
VTG ausgerüstet
sind.
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In 1 ist
ein Ablaufdiagramm gemäß einer ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dargestellt, zur Einstellung eines vorbestimmten Durchsatzes bei
einer variablen Turbinengeometrie eines Turboladers. Dabei soll
beispielsweise ein minimaler Durchsatz bei einer geschlossenen Drehschaufelposition
erzielt werden.
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Grundsätzlich ist
die Erfindung jedoch nicht auf den minimalen Durchsatz bei der geschlossenen Drehschaufelposition
beschränkt,
sondern kann auf jeden anderen Wert für den Durchsatz und eine damit verbundene
Drehschaufelposition angewendet werden. Dies gilt für alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
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Im
Folgenden wird zunächst
ein Turbolader (nicht dargestellt) bereitgestellt, wobei der Turbolader eine
Turbine aufweist, die mit einer variablen Turbinengeometrie VTG
versehen ist. Hierbei sind verstellbare, nicht rotierende Leit-
bzw. Drehschaufeln beispielsweise im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse angeordnet
und können
von einer geschlossenen Position (minimaler Durchsatz) bis hin zu
einer vollkommen geöffneten
Position (maximaler Durchsatz) bewegt werden. Des Weiteren weist
der Turbolader einen Verdichter mit einem Ver dichterrad auf, das über das
Turbinenrad der Turbine angetrieben wird.
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Dabei
wird zunächst
ein Wert für
einen vorbestimmten, einzustellenden Durchsatz, beispielsweise einen
minimalen Durchsatz, vorgegeben. Bei einem minimalen Durchsatz befinden
sich die Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie VTG, wie zuvor
beschrieben, in einer geschlossenen Position.
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Um
nun die Drehschaufeln so zu positionieren bzw. einzustellen, dass
der minimale Durchsatz bei geschlossener Drehschaufelposition erreicht wird,
wird zunächst
der Turboladerrotor, bestehend aus dem Turbinenrad und dem Verdichterrad
drehbar, gemacht. Hierzu wird der Turbolader an eine Schmiermittelversorgung
angeschlossen, so dass das Turbinenrad und das Verdichterrad rotieren
können,
wenn ein gasförmiges
Medium durch den Turbolader hindurchgeleitet wird.
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In
einem ersten Schritt wird als ein gasförmiges Medium, beispielsweise
Druckluft, in den Turbolader eingeleitet, um diesen Anzutreiben
bzw. das Turbinenrad und das mit ihm verbundene Verdichterrad. Die
Druckluft ist dabei so eingestellt, dass das Turbinenrad bzw. Verdichterrad
durch die Druckluft beispielsweise auf eine vorbestimmte Soll-Drehzahl beschleunigt
werden kann bzw. rotiert kann, bei welcher der vorbestimmte minimale
Durchsatz bei einer geschlossenen Drehschaufelposition gegeben ist.
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In
einem zweiten Schritt wird während
der Drehung des Turboladerrotors die Ist-Drehzahl des Turbinenrads
und/oder Verdichterrads, beispielsweise über einen oder mehrere Drehzahlsensoren,
bestimmt. Gemäß einem
weiteren Schritt wird die Ist-Drehzahl mit der vorbestimmten Soll-Drehzahl verglichen.
Weicht die Ist-Drehzahl von der Soll-Drehzahl ab, so erfolgt eine
Verstellung der Drehschaufeln, um die gewünschte Soll-Drehzahl zu erreichen. Dabei wird die
Ist-Drehzahl nach dem Verstellend er Drehschaufeln erneut bestimmt
und mit der Soll-Drehzahl verglichen. Die Position der Drehschaufeln
wird solange angepasst, bis die Ist-Drehzahl die Soll-Drehzahl im
Wesentlichen erreicht. In diesem Fall ist sind die Drehschaufeln
fertig eingestellt.
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In
einer weiteren, zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie sie in dem
Ablaufdiagramm in 2 dargestellt ist, wird ein
minimaler Durchsatz bei einer geschlossenen Drehschaufelposition
wie folgt eingestellt.
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In
dem ersten Schritt wird das gasförmige Medium
so eingestellt bzw. mit einem vorbestimmten Druck in den Turbolader
eingeleitet, um den Turbolader anzutreiben und um dabei einen Soll-Durchsatz bzw.
hier minimalen Durchsatz bei dem Turbolader zu erzielen.
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In
dem zweiten Schritt wird nun der tatsächliche Ist-Durchsatz des Turboladers ermittelt
und mit dem gewünschten
Soll-Durchsatz verglichen. Weicht dabei der erfasst Ist-Durchsatz von dem
Soll-Durchsatz, d. h. hier dem minimalen Durchsatz bei geschlossener
Drehschaufelposition, ab, so erfolgt ein entsprechendes Verstellen
der Drehschaufeln. Anschließend
wird der Ist-Durchsatz erneut bestimmt und mit dem Soll-Durchsatz
verglichen. Die Position der Drehschaufeln wird in diesem Fall so
lange verstellt, bis der Ist-Durchsatz schließlich den Soll-Durchsatz erreicht.
In diesem Fall ist dann keine weitere Verstellung der Drehschaufelposition
mehr notwendig.
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In
einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wie sie in dem Ablaufdiagramm in 3 dargestellt
ist, wird ein minimaler Durchsatz bei einer geschlossenen Drehschaufelposition
folgendermaßen
eingestellt.
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In
dem ersten Schritt wird das gasförmige Medium
so eingestellt und in den Turbolader eingeleitet, um den Turbolader
anzutreiben und um dabei einen vorbestimmten Soll-Ladedruck des
Turboladers zu erreichen, bei einem minimalen Durchsatz bei einer
geschlossenen Drehschaufelposition.
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In
dem zweiten Schritt wird des Weiteren der tatsächliche Ist-Ladedruck des Turboladers
ermittelt. Der Ist-Ladedruck wird mit dem vorgegebenen Soll-Ladedruck
verglichen. Wird dabei festgestellt, dass der erfasste Ist-Ladedruck
von dem vorgegebenen Soll-Ladedruck abweicht, so erfolgt ein entsprechendes
Verstellen der Drehschaufeln. Daran anschließend wird der Ist-Ladedruck
erneut bestimmt und mit dem Soll-Ladedruck verglichen. Solange eine
Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck bestimmt wird
erfolgt eine Anpassung der Position der Drehschaufeln bis am Ende
der Ist-Ladedruck im Wesentlichen dem Soll-Ladedruck entspricht
bzw. ausreichend an diesen angenähert ist.
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Auf
diese Weise kann, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
zur Einstellung eines vorbestimmten Durchsatzes bei einem Turbolader
mit einer variablen Turbinengeometrie VTG, eine Streuung der Wirkungsgrade
des Turboladers, d. h. des Turbinenwirkungsgrads, des mechanischem
Wirkungsgrads und des Verdichterwirkungsgrads, verhältnismäßig gering
gehalten werden und damit eine Streuung der Ladedrucks.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand dreier bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
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Die
Erfindung, wie sie zuvor beschrieben wurde, ist auf Turbolader mit
allen Arten bzw. Ausführungen
einer variablen Turbinengeometrie gerichtet. Die Drehschaufeln dieser
variablen Turbinengeometrien können
auf die unterschiedlichsten Arten eingestellt werden, beispielsweise
mittels einer Verstellschraube, um nur ein Beispiel zu nennen. Die
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern
umfasst alle Arten von Einstelleinrichtungen zum Ein stellen bzw.
Verstellen der Position der Drehschaufeln der variablen Turbinengeometrie
VTG.
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Des
Weiteren kann die variable Turbinengeometrie nicht nur anhand einer
vorbestimmten Soll-Drehzahl, einem vorbestimmten Soll-Durchsatz und
einem vorbestimmten Soll-Ladedruck eingestellt werden. Grundsätzlich können eine
Vielzahl weiterer Parameter als Soll-Größen verwendet werden oder Kombinationen
daraus, die in Korrelation zu einem einzustellenden, vorbestimmten
Durchsatz stehen, der bei dem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie über die
Position der Drehschaufeln eingestellt werden soll. Die in den Ausführungsbeispielen
genannten Parameter sind lediglich Beispiele. Die Erfindung ist
nicht auf diese Ausführungsformen
beschränkt.