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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Motorsysteme mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren.
Solche Verbrennungsmotoren weisen eine Turbine im Abgasstrang auf,
die die Abgasenthalpie aufnimmt und einen Verdichter zur Komprimierung
von Ladeluft antreibt. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wastegate-Stellantriebs
für ein
Wastegate zur Steuerung der von der Turbine aufgenommenen Abgasenthalpie.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind zur Ansteuerung bzw. Betätigung eines Wastegates an
einem Abgasturbolader (ATL) verschiedene Systeme bekannt. Das Wastegate
entspricht einem Bypassventil in einer eine Turbine des Abgasturboladers
umgehenden Umgehungsleitung. Das Wastegate dient dazu, die Abgasenthalpie
in ein Drehmoment eines Turbinenrads des Abgasturboladers zu wandeln
und mit Hilfe des Drehmoments einen Verdichter anzutreiben, der komprimierte
Ladeluft für
einen Verbrennungsmotor zur Verfügung
stellt.
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Neben
den herkömmlichen
pneumatischen Systemen werden derzeit elektrische Stellantriebe für Wastegates,
wie z. B. Linearsteller, entwickelt. die erheblich größere Stellkräfte bereitstellen
können. Solche
Linearsteller sind mit einem aus einem Gehäuse geführten Gestänge bzw. Getriebe verbunden und
können
einen Tassenstößel bewegen,
der das Wastegate öffnet
oder schließt.
Die Kräfte
zum Halten der Öffnungsstellung
des Wastegates können
bei solchen Stellantrieben im Gestänge Werte bis ca. 250 N erreichen.
Diese Kräfte
müssen
permanent bereitgestellt werden, um das Wastegates z. B. zuverlässig in
der geschlossenen Stellung zu halten, so dass das Wastegate dicht
bleibt.
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Die
elektrischen Stell antriebe im Stand der Technik haben den Nachteil,
dass sie zur permanenten Bereitstellung der notwendigen Schließkraft des Wastegates
einen hohen Strom- bzw. Energiebedarf aufweisen, welcher zu einer
nicht unerheblichen Verlustwärme
führt.
Aufgrund der Dauerbelastung mit einer hohen Schließkraft im
geschlossenen Zustand des Wastegates sind derartige Stellantriebe
großzügig dimensioniert
und benötigen
daher auch einen großen
Bauraum.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren,
eine Vorrichtung und eine Wastegate-Stellanordnung vorzusehen, mit
denen ein elektrisch angesteuerter Stellantrieb für ein Wastegate
in verbesserter Weise, insbesondere energieeffizienter, betrieben
werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit
bereitzustellen, bei der gegenüber
dem Stand der Technik gleicher Verlustleistung eine höhere Stellkraft
bereitgestellt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch
die Vorrichtung und die Wastegate-Stellanordnung gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Stellantriebs
für eine
Wastegate-Stellvorrichtung eines Abgasturboladers vorgesehen, wobei
das Wastegate mit Hilfe des Stellantriebs elektrisch verstellbar
ist und in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet
ist, wobei abhängig
von einer Öffnungsstellung
des Wastegates eine den Abgasturbolader durchströmende Abgasmenge einstellbar
ist, wobei während
einer Schließstellung
des Wastegates der Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung
angesteuert wird, um einen variierenden Schließdruck des Wastegates abhängig von
einem Verlauf eines über
das Wastegate anliegenden Abgasgegendrucks bereitzustellen.
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Dadurch
kann die elektrische Leistung dem Stellantrieb in vorteilhafter
Weise abhängig
von dem tatsächlichen
Schließkraftbedarf
zum Einhalten einer Schließstellung
des Wastegates zugeführt
und somit die Verlustleistung reduziert werden. Weiterhin kann, bei
gleicher Verlustleistung gegenüber
dem Stand der Technik, die Schließkraft zu Zeiten erhöhten Schließkraftbedarfs
erhöht
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die elektrische Leistung des Stellantriebs eingestellt werden,
um einen momentanen Schließdruck
des Wastegates bereitzustellen, der insbesondere um einen absoluten
oder relativen Betrag größer ist
als der momentane Abgasgegendruck.
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Weiterhin
kann die elektrische Leistung des Stellantriebs eingestellt werden,
um einen Schließdruck
des Wastegates bereitzustellen, dessen zeitlicher Verlauf dem Verlauf
des Abgasgegendrucks voreilt.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Stellantrieb mit einer elektrische
Leistung angesteuert wird, die einen Schließdruck hervorruft, der im zeitlichen Verlauf
im Wesentlichen proportional und/oder zeitversetzt proportional
zum Abgasgegendruck ist.
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Weiterhin
kann der Stellantrieb mit der elektrischen Leistung durch Anlegen
eines elektrischen Stroms angesteuert werden.
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Der
Stellantrieb kann mit der elektrischen Leistung abhängig von
einer Kurbelwellenstellung einer Kurbelwelle des dem Abgasturbolader
zugeordneten Verbrennungsmotors angesteuert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Steilantriebs
für eine Wastegate-Stellvorrichtung
eines Abgasturboladers vorgesehen, wobei das Wastegate mit Hilfe
des Stellantriebs elektrisch verstellbar ist und in einem Abgasstrang
eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet
ist, um abhängig von
einer Öffnungsstellung
des Wastegates eine den Abgasturbolader durchströmende Abgasmenge einzustellen,
und um während
einer Schließstellung
des Wastegates den Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung
anzusteuern, so dass ein variierender Schließdruck des Wastegates abhängig von
einem Verlauf eines über
das Wastegate anliegenden Abgasgegendrucks bereitgestellt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Wastegate-Stellanordnung zum Ansteuern
eines Wastegates vorgesehen. Die Wastegate-Stellanordnung umfasst das
Wastegate zum Einstellen einer durch einen Abgasturbolader strömenden Abgasmenge und
einen elektrisch ansteuerbaren Stellantrieb in einer Wastegate-Stellvorrichtung
des Abgasturboladers zum Ansteuern des Wastegates, wobei die Wastegate-Stellanordnung
ausgebildet ist, um den Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung
ansteuern, so dass eine Öffnungsstellung
des Wastegates und dadurch eine den Abgasturbolader durchströmende Abgasmenge
einstellbar ist, wobei die Wastegate-Stellanordnung weiterhin ausgebildet
ist, um während
einer Schließstellung
des Wastegates den Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung
anzusteuern, um einen variierenden Schließdruck des Wastegates abhängig von
einem Verlauf eines über
das Wastegate anliegenden Abgasgegendrucks bereitzustellen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer Wastegate-Stellanordnung;
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Kurvenverlaufs des Schließdrucks
des Wastegates und des Abgasgegendrucks bei einer konstanten Bestromung
des Wastegate-Stellantriebs;
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3 schematisch
ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Aufbaus einer Wastegate-Stellanordnung;
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4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs des Schließdrucks
des Wastegates und des Abgasgegendrucks bei einer stromminimierten Bestromung
des Wastegate-Stellantriebs; und
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5 ein
weiteres Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs des Schließdrucks
des Wastegates und des Abgasgegendrucks bei einer kraftmaximierten
Bestromung des Wastegate-Stellantriebs.
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In
der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen
Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt
beispielhaft eine Wastegate-Stellanordnung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung, die bei einem Abgasturbolader 2 eines Verbrennungsmotors
(nicht dargestellt) eingesetzt ist. Der Abgasturbolader 2 ist
im Stand der Technik bekannt und weist vorzugsweise ein Turbinenrad 3 auf,
das in einem Abgasstrom 4 in einem vom Brennraum des Verbrennungsmotors
wegführenden
Abgasstrang 5 angeordnet ist. Derartige von einem Verbrennungsmotor
abgeführte
Abgase 4 können
im weiteren Verlauf beispielsweise einem Katalysator oder einer Auspuffanlage
zugeführt
werden.
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Der
Verbrennungsmotor kann beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Ottomotor
sein, z. B. in einem Kfz, wie zum Beispiel einem Personenkraftwagen
oder einem Nutzkraftwagen, in einem Schiff, einem Flugzeug, einem
Kraftrad etc. Die Erfindung ist grundsätzlich in Verbindung mit jedwedem
Verbrennungsmotor mit getaktetem Betrieb einsetzbar.
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Das
Turbinenrad 3 wird durch den Abgasstrom 4 vom
Brennraum des Verbrennungsmotors angetrieben. Das von dem Turbinenrad
aufgenommene Drehmoment hängt
von der Abgasenthalpie des Abgasstroms ab. Das Turbinenrad 3 ist über eine Welle 6 mit
einem Verdichterrad verbunden, das in einem Ansaugtrakt zum Verdichten
der dem Verbrennungsmotor zuzuführenden
Luft (Ladeluft) in bekannter Weise angeordnet ist (nicht dargestellt)
und somit für
einen notwendigen Ladedruck sorgt. Mit steigender Drehzahl des Verbrennungsmotors
steigt die Abgasenthalpie des Abgasstroms 4 und das Turbinenrad 3 nimmt
eine höhere
mechanische Leistung auf. Das Turbinenrad 3 treibt über die
Welle 6 das Verdichterrad an. Das Verdichterrad komprimiert
die dem Verbrennungsmotor zuzuführende
Ladeluft. Um die Aufladung durch den Abgasturbolader bzw. die Leistungsabgabe
des Verbrennungsmotors zu begrenzen, und somit z. B. eine Überbeanspruchung desselben
zu vermeiden, weist der Abgasturbolader in der Regel eine Ladedruckregelung
auf.
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Erfindungsgemäß ist die
Ladedruckregelung vorzugsweise mittels eines Bypassventils bzw.
mit Hilfe eines sogenannten Wastegates 7 realisiert. Das Wastegate 7 wird über eine
Wastegate-Stellvorrichtung 8 angesteuert. Das Wastegate 7 ist
in einer das Turbinenrad 3 umgehende Umgehungsleitung angeordnet
und dient dazu, im Bedarfsfall einen Teil des dem Abgasturbolader 2 einlasseitig
(Bezugszeichen 5a) zugeführten Abgases am Turbinenrad 3 bzw.
am Abgasturbolader 2 vorbeizuleiten, um so einen Teil der
Abgasenergie an dem Abgasturbolader vorbeizuführen. Dadurch kann ein weiteres
Ansteigen der Turbinenraddrehzahl des Turbinenrades 3 vermieden
werden. Um dies zu erreichen, muss das Wastegate 7 geöffnet werden
bzw. in eine Offenstellung gebracht werden. Folglich wird bei einem Öffnen des Wastegates 7 ein
geringerer Teil des Abgasstromes 4 durch den Abgasstrang 5 zur
Anströmung
des Abgasturboladers 2 genutzt als in einer Schließstellung des
Wastegates 7.
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In
der Schließstellung
des Wastegate 7, d. h. bei vollständig geschlossenem Bypass-Ventil,
werden die Abgase des Abgasstroms 4 vollständig durch das
Turbinenrad 3 geleitet. Das Druckgefälle über dem Abgasturbolader ist
dann am höchsten
und das Wastegate 7 muss gegen den Abgasgegendruck des Abgasstroms 4 geschlossen
gehalten bzw. in der Schließstellung
gehalten werden. Das Wastegate 7 bzw. die Wastegate-Stellvorrichtung 8 sind
dabei vorzugsweise so konstruiert, dass die Offenstellung des Wastegates 7 bei
Ausfall einer zugehörigen
Ansteuerung, oder einzelner Betätigungselemente,
z. B. der Stellvorrichtung 8, gewährleistet ist. Der Ladedruck kann
folglich bei einem solchen Ausfall nicht aufgebaut werden, wodurch
die vom Verbrennungsmotor bereitgestellte Leistung reduziert ist.
Die Schließstellung
kann also nur eingenommen werden, wenn dem Wastegate 7 Stellenergie,
z. B. mittels der Wastegate-Stellvorrichtung 8, zugeführt wird.
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Das
Wastegate 7 kann in Form eines Tellerventils 9 mit
Ventilsitz 9a und Verschlussorgan 9b ausgebildet
sein, das über
die damit verbundene Wastegate-Stellvorrichtung 8 betätigt wird,
also zwischen Offenstellung bzw. Schließstellung bewegt wird. Auch
ein Kegelventil ist denkbar, eine elektrisch betätigte Membran oder andere Ventillösungen,
die über
eine elektrisch angesteuerte Wastegate-Stellvorrichtung 8 gestellt
werden können.
Das Wastegate 7 kann beispielsweise im Abgasturbolader 2 angeordnet
sein, kann bei einer weiteren Ausführungsform jedoch auch im Abgasstrang 5 (vom
Verbrennungsmotor) außerhalb
des Abgasturboladers 2 angeordnet sein.
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Die
Wastegate-Stellvorrichtung 8, die durch Anlegen einer elektrischen
Größe elektrisch
angesteuert bzw. mit elektrischer Leistung versorgt wird, ist vorzugsweise
in Form eines elektrischen Stellantriebs 10 mit zugeordneten
Getriebe-, Gestänge- oder
sonstigen Übertragungselementen 11 ausgeführt, die
bei Ansteuerung und Betätigung
der Wastegate-Stellvorrichtung 8 zum Beispiel das Verschlussorgan 9b in
den Ventilsitz 9a hinein oder dort heraus führen. Der
Stellantrieb 10 kann dabei z. B. einen rotatorischen Elektromotor,
einen Linearmotor oder dergleichen aufweisen.
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Die
Wastegate-Stellvorrichtung 8, die einen Steuantrieb 10 und Übertragungselemente 11 zur Betätigung des
Wastegates 7 aufweist, ist Bestandteil der Wastegate-Stellanordnung 1.
Die Wastegate-Stellanordnung 1 umfasst weiterhin einen
Sensor 12, vorzugsweise auf der Verdichterseite des Abgasturboladers 2 (d.
h. im Ansaugtrakt) des Verbrennungsmotors. Der Sensor 12 detektiert
einen momentanen Ladedruck (Druck der komprimierten, angesaugten
Luft im Ansaugtrakt). Bei Erreichen eines Soll-Ladedrucks generiert
der Sensor 12 ein entsprechendes Signal. Das Signal bewirkt,
dass das Wastegate 7 ganz oder teilweise geöffnet wird
und diese Stellung solange einhält,
bis der Sensor 12 kein Signal mehr liefert. Der Sensor 12 kann
dadurch als Druckwächter
ausgeführt
sein.
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Vorzugsweise
wird jedoch der Öffnungs- bzw.
Schließzeitpunkt
des Wastegates 7 in einer Motorsteuerung bzw. einem Motorsteuergerät 13 abgebildet,
wodurch ein Sensor 12 entbehrlich ist. Das Motorsteuergerät 13 ist
insoweit als Bestandteil der Wastegate-Stellanordnung 1 anzusehen.
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Wird
die Wastegate-Stellvorrichtung 8, z. B. infolge eines Signals
vom Sensor 12 oder ausgehend vom Motorsteuergerät 13 elektrisch
angesteuert, überführt die
Wastegate-Stellvorrichtung 8 das Wastegate 7 beispielsweise
in die Offenstellung, z. B. durch Betätigung des Stellantriebs 10 mit
den zugehörigen Übertragungselementen 11.
Ein Teil des Abgasstromes wird nunmehr durch das geöffnete Wastegate 7 hindurch
an dem Turbinenrad 3 vorbeigeleitet.
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Insbesondere
für den
Fall niedriger Motordrehzahlen ist es nunmehr wünschenswert, dass das Wastegate 7 geschlossen
ist, so dass der gesamte Abgasstrom 4 das Turbinenrad 3 antreibt.
Ein Signal zur Einnahme der Offenstellung liegt in diesem Fall z. B.
nicht vor.
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Um
das Wastegate 7 elektrisch anzusteuern, dass es geschlossen
ist bzw. in der Schließstellung gehalten
wird, wird die Wastegate-Stellvorrichtung 8 elektrisch
angesteuert, d. h. es wird der Wastegate-Stellvorrichtung 8 eine
elektrische Leistung durch Anlegen einer elektrischen Größe zugeführt. Dies kann
beispielsweise mit Hilfe eines Stromreglers 14
vorgesehen
sein, der in dem Motorsteuergerät 13 angeordnet
ist. Das Motorsteuergerät 13 stellt
Steuer- und Regelungsfunktionen für den Verbrennungsmotor zur
Verfügung
und ist ebenfalls Bestandteil der Wastegate-Stellanordnung 1.
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Es
ist nun vorgesehen, dass die elektrische Leistung zur Ansteuerung
der Wastegate-Stellvorrichtung 8 so eingestellt wird, dass
die Schließstellung
des Wastegates 7, d. h. die vollständig geschlossene Stellung
des Wastegates 7, beibehalten wird. Die Einstellung kann
derart durchgeführt
werden, dass der Strom bzw. die dem Stellantrieb 10 zugeführte elektrische
Leistung in Abhängigkeit
vom Abgasgegendruck, der dem Druck des Abgasstroms 4 gegen
das geschlossene Wastegate 7 entspricht, eingestellt wird,
so dass eine kontinuierliche Einhaltung der Schließstellung
des Wastegate 7 bei reduziertem Energiebedarf gewährleistet
ist.
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Die
an die Wastegate-Stellvorrichtung 8 angelegte elektrische
Leistung für
die Einhaltung der Schließstellung
wird der Wastegate-Stellvorrichtung 8 bzw. dem Stellantrieb 10 derart
zugeführt,
dass bei einem höheren
Abgasgegendruck am Wastegate 7 die an die Wastegate-Stellvorrichtung 8 angelegte Leistung
größer ist
als bei einem niedrigeren Abgasgegendruck. Bei Betrieb des Verbrennungsmotors schwankt
der Abgasgegendruck am Wastegate 7 durch den getakteten
Betrieb des Verbrennungsmotors. Die Ansteuerung der Wastegate-Stellvorrichtung 8 wird
so durchgeführt,
dass der zeitliche Verlauf der Ansteuerleistung bzw. der ansteuernden
elektrischen Größe synchron
mit dem Abgasgegendruck schwankt. Bei der Ansteuerung der Wastegate-Stellvorrichtung 8 kann
jedoch ein geringer zeitlicher Versatz zwischen dem Anlegen der
ansteuernden elektrischen Größe und dem
Abgasgegendruck erforderlich sein, um z. B. etwaige Induktivitäten im Stellantrieb 10 zu
berücksichtigen.
Minimalwerte und Maximalwerte im jeweiligen Verlauf werden annähernd zeitgleich
oder zeitgleich erreicht. In Abhängigkeit vom
Abgasgegendruck variiert die während
der Schließstellung
zugeführte
Energie.
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Da
die Taktung des Verbrennungsmotor fest an eine Winkelstellung der
Kurbelwelle gekoppelt ist (falls der Verbrennungsmotor eine Kurbelwelle
aufweist), hängt
der zeitliche Verlauf des Abgasgegendrucks in der Schließstellung
des Wastegate 7 von einer Kurbelwellenstellung (Kurbelwinkel)
sowie der Motordrehzahl ab. Je nach Kurbelwellenstellung ändern sich
der Abgasgegendruck und dadurch der Schließkraftbedarf zum Einhalten
der Schließstellung des
Wastegates 7 (der Abgasgegendruckverlauf ist dabei meist
in Abhängigkeit
des Kurbelwellendrehwinkels periodisch). Der Schließkraftbedarf
entspricht der zum Gewährleisten
einer ausreichenden Dichtigkeit des Wastegate 7 aufzubringenden
Stellkraft. Insofern sind die Verläufe des Abgasgegendrucks bzw.
der zugrunde liegenden Kurbelwellenstellung und die Ansteuerung
des Stellantriebs in der Schließstellung
synchronisiert.
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In 2 ist
ein periodischer Verlauf des Abgasgegendrucks und ein konstanter
Verlauf des Schließdrucks
einer mit konstanter Leistung angesteuerten Wastegate-Stellvorrichtung 8 gemäß dem Stand
der Technik gezeigt, wobei der Schließdruck dem maximalen Druck
entspricht, der nicht zum Öffnen
des Wastegates 7 führt.
Durch die oben beschriebene Ansteuerung der Wastegate-Stellvorrichtung 8 wird
die zum Einhalten der Schließstellung
des Wastegates 7 erforderliche effektiv benötigte elektrische
Energie gegenüber
einer herkömmlichen
gleich bleibenden Ansteuerung 15, die Druckschwankungen
des Abgasgegendrucks nicht berücksichtigt,
erheblich reduziert. Dennoch wird erfindungsgemäß die erforderliche Schließkraft zum
jeweiligen Bedarfszeitpunkt zur Verfügung gestellt. Bei gleicher Verlustleistung
kann die Stellkraft alternativ zudem erheblich erhöht werden,
wenn die gegenüber
Konstantbestromung 15 nicht benötigte Leistung auf die Druckspitzen 16 im
Abgasstrom 4 verteilt wird.
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Um
eine erfindungsgemäße bedarfsgerechte Ansteuerung
der Wastegate-Stellvorrichtung 8 in
der Schließstellung
zu erzielen, ist es vorteilhaft, die zur Einhaltung der Schließstellung
des Wastegate 7 erforderliche elektrische Leistung vorab
zu ermitteln, die infolge von Druckspitzen 16 im Abgasstrom 4 stromaufwärts des
Wastegates 7, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Kurbelwellenstellungen
variiert. Maximale Zuhaltekraft wird beispielsweise lediglich für ausgeprägte Druckspitzen 16 bzw.
Druckpeaks benötigt,
während
in Zwischenphasen 18 mit zum Teil erheblich reduziertem
Abgasgegendruck eine deutlich kleinere Zuhaltekraft ausreicht.
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Um
die dem Stellantrieb 10 zuzuführende Leistung bedarfsgerecht
zur Verfügung
zu stellen, ermittelt vorzugsweise die Wastegate-Stellanordnung 1 den
erforderlichen Leistungsbedarf. Dazu können beispielsweise der Verlauf
des Abgasgegendruckes 17 (stromaufwärts des Wastegates 7) über einem Kurbelwellendrehwinkel
(des Verbrennungsmotors) bei unterschiedlichen Motordrehzahlen,
der Schließkraftbedarf
des Wastegate 7 zum Einhalten der Schließstellung
als Funktion des Abgasgegendruckes, sowie der elektrische Strombedarf
für die
Wastegate-Stellvorrichtung 8 (in Abhängigkeit der aufzubringenden
Schließkraft)
verwendet werden. Der Verlauf des Abgasgegendruckes 17 über dem
Kurbelwellendrehwinkel (bei der jeweiligen Drehzahl des Verbrennungsmotors)
ist im Stand der Technik zumeist bekannt und Z. B. in der Motorsteuerung 13 entsprechend durch
Kennfelder oder Funktionen abgebildet. Der Schließkraftbedarf
des Wastegates 7 zum Bereitstellen des Schließdrucks
bzw. zum Einhalten der Schließstellung
kann als Funktion des Abgasgegendruckes stationär, z. B. auf einem Heißgasprüfstand,
vorzugsweise durch Messung, ermittelt und in entsprechende Kennfelder
oder Funktionen eingelernt werden. Die Ansteuerleistung für die Wastegate-Stellvorrichtung 8,
insbesondere für
den Stell antrieb 10, zum Bereitstellen einer Schließkraft ist
z. B. stellertypisch bekannt (Datenblatt) bzw. z. B. durch Messung
ermittelbar.
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Basierend
auf diesen Größen kann,
ggf. mit entsprechender notwendiger Voreilung, der Strom- bzw. Energiebedarf
zur Einhaltung der Schließstellung
des Wastegates 7 z. B. kurbelwellensynchronisiert (in Abhängigkeit
der Motordrehzahl) berechnet und ausgegeben werden. Zur Berechnung
kann eine Recheneinheit 19 des Motorsteuergerätes 13 oder
z. B. ein Computer verwendet werden.
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Bei
einer vereinfachten Ausführungsform
der Wastegate-Stellanordnung 1, die in 3 schematisch
dargestellt ist, kann anhand eines Kennfelds 20 ein normierter
Sollstrom 21 als Vorgabegröße für die Stromregelung als Funktion
der Motordrehzahl und der Kurbelwellenstellung ermittelt werden.
Das Kennfeld 20 ist z. B. in einer Speichereinheit 22 des
Motorsteuergerätes 13 hinterlegt.
Mit Hilfe des Kennfelds 20 und bereitgestellten bzw. gemessenen
Betriebszustandswerten 23 des Verbrennungsmotors (Drehzahl,
Kurbelwellendrehwinkel) kann ein normierter Sollstrom 21 ermittelt
werden, der abhängig
von der Kurbelwellenstellung ist. Der Sollstrom 21 entspricht der
der Wastegate-Stellvorrichtung 8 bereitzustellenden elektrischen
Leistung.
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Dieser
ermittelte normierte Sollstrom 21 kann anschließend mit
einem druckdifferenzabhängigen
Faktor multipliziert werden (Bezugszeichen 24) und als
Sollstromvorgabe 25 an den Stromregier 14 z. B.
des Motorsteuergerätes 13 übergeben
werden.
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Zur
Ermittlung des druckdifferenzabhängigen
und vorzugsweise kurbelwellensteilungsunabhängigen Faktors wird z. B. der
effektive mittlere Differenzdruck am Wastegate 7 herangezogen
(Druckunterschied zwischen der Einlasseite des Wastegates 7 und
der Auslassseite). Der Druckunterschied wird aus verschiedenen Motorbetriebszustandsgrößen wie
z. B. Last, Abgastemperatur, Umgebungsdruck im Brennraum, Drehzahl,
usw. modelliert. Mit Hilfe einer ebenfalls im Motorsteuergerät 13 gespeicherten
Kennlinie kann der applizierbare Faktor aus den Motorbetriebszustandsgrößen ermittelt
werden.
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Dieser
applizierbare, aus Betriebsparametern und der Kennlinie ermittelte
druckdifferenzabhängige
Faktor wird z. B. mit dem normierten Sollstrom 21 in einem
Multiplikator 24 multipliziert, so dass als Vorgabe für den Stromregier 14 ein
Sollstrom 25 erhalten wird, welcher mit dem Abgasgegendruckverlauf 17 korrespondiert.
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In 4 ist
der periodische Verlauf des Abgasgegendrucks und der durch die Ansteuerung
mit dem Sollstrom 25 erreichte Verlauf des Schließdrucks
gezeigt, wobei der Schließdruck
dem maximalen Druck entspricht, der nicht zum öffnen des Wastegates 7 führt. Man
erkennt, dass der Schließdruck an
den Abgasgegendruck angepasst ist und zu diesem zumeist proportional,
z. B. geringfügig
zeitversetzt proportional verläuft.
Der Schließdruck
ist dabei zu jedem Zeitpunkt größer als
der Abgasgegendruck. Insbesondere ist der Schließdruck so gewählt, dass diese
um einen absoluten oder relativen Betrag über dem jeweiligen Abgasgegendruck
liegt. Ein notwendiger zeitlicher Versatz kann sich z. B. infolge
einer Ansprechzeit des Stellantriebs 10 ergeben, die ein Voreilen
der Ansteuerung mit einer elektrischen Größe gegenüber dem Verlauf des Abgasgegendrucks erfordert.
Dieser kann bei der Ansteuerung der WastegateStellvorrichtung 8 bzw.
des Stellantriebs 10 entsprechend berücksichtigt werden.
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Der
Abgasgegendruck 17 und zuzuführende elektrische Leistung,
die in Form einer Ansteuerung mit dem Sollstroms 25 angelegt
wird, steigen und fallen im zeitlichen Verlauf nunmehr simultan
bzw. bilden übereinstimmend
Maximal- und Minimalwerte aus. Die oben beschriebene Leistungssteuerung
erfolgt dabei vorzugsweise nur, wenn die Schließstellung erkannt wurde, z.
B. wenn kein Signal vom Sensor 12 vorliegt. Außerhalb
der Schließstellung
erfolgt die Positionierung des Wastegate 7 z. B. konventionell über eine
Positionsregelung bzw. -steuerung.
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Der
Stromregier 14 ist vorzugsweise Bestandteil der Motorsteuerung
bzw. eines Motorsteuergerätes 13 und
dazu vorgesehen, die Wastegate-Stellvorrichtung 8 bzw.
den darin enthaltenen Stell antrieb 10 so anzusteuern,
dass das Wastegate den erforderlichen Schließdruck bereitstellt. Um die
Wastegate-Stellvorrichtung 8 mit einer gewünschten
Leistung bzw. mit einem gewünschten
Strom anzusteuern, kann vorgesehen sein, dass der Stromregier 14 die
gewünschte
Leistung bzw. den gewünschten Strom
durch Wahl eines Tastverhältnisses
einer Pulsweitenmodulation einstellt, mit der die Wastegate-Stellvorrichtung 8 angesteuert wird.
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5 zeigt
beispielhaft den Verlauf des Schließdrucks der Wastegate-Stellvorrichtung 8 für den Fall
einer kraftmaximierten Bestromung 27. Unter der Annahme,
dass die Dimensionierung der Wastegate-Stellvorrichtung 8 und
des Wastegates 7 gegenüber
der zuvor beschriebenen Anordnung mit Konstantbestromung 15 unverändert ist,
lässt sich bei
gleicher effektiver Verlustleistung mit gegenüber dem Fall der Konstantbestromung
der Wastegate-Stellvorrichtung 8 ein höherer Schließdruck des Wastegates 7 erzielen
Ein höherer
Schließdruck kann
beispielsweise eine bessere Dichtigkeit des Wastegates bewirken.
Theoretisch sind bis zu 80 Prozent Schließkrafterhöhung bei gleicher Leistung möglich. Auch
bei dieser Ausführungsform
wird die zugeführte
elektrische Leistung in Abhängigkeit
des Abgasgegendruckverlaufs während
einer Schließstellung
des Wastegates 7 variiert.
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Sowohl
im Fall leistungsminimierter als auch Schließkraft maximierter Bestromung
wird die erforderliche elektrische Leistung, die/der während der Schließstellung
des Wastegate 7 zum Bereitstellen des Schließdrucks
aufzubringen ist bzw. aufgewendet werden soll, von dem Motorsteuergerät 13 ermittelt.
