DE102010027778A1

DE102010027778A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Klappenstellers zum Steuern eines Massenstromes sowie einen Klappensteller

Info

Publication number: DE102010027778A1
Application number: DE102010027778A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bleile; Patrick Menold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN102220906A; DE102010027778B4; FR2959032B1; KR20110115533A; CN102220906B; FR2959032A1; KR101811879B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Massenstroms, insbesondere eines Gasmassenstroms in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, mit Hilfe eines Stellgebers, insbesondere eines Klappenstellers, für ein Stellglied, insbesondere einer Klappe, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen (S1) einer Stellgröße, die einen durch das Stellglied (4) einzustellenden Massenstrom angibt; – wenn die Stellgröße größer ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert, Ansteuern (S3) des Stellgebers (2) gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung des Stellglieds (4); – wenn die Stellgröße kleiner ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert, Ansteuern (S4) des Stellgebers (2), so dass sich das Stellglied (4) in einer Schließposition befindet, wobei eine Schließkraft des Stellglieds (4) abhängig von der Stellgröße eingestellt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Klappensteller zum Steuern eines Massenstroms, insbesondere zum Steuern eines Gasmassenstroms in einem Luftzuführungsabschnitt oder in einem Abgasabführungsabschnitt in einem Motorsystem eines Kraftfahrzeuges. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Steuerung des Klappenstellers.
Stand der Technik
Moderne Verbrennungsmotoren weisen einen Luftzuführungsabschnitt sowie einen Abgasabführungsabschnitt auf, in denen Gasmassenströme transportiert werden. Der Luftzuführungsabschnitt dient zum Transportieren von Umgebungsluft zu den Zylindern des Verbrennungsmotors und der Abgasabführungsabschnitt dient zum Abführen der aus den Zylindern ausgestoßenen Verbrennungsabgase.
Zum Steuern dieser Gasmassenströme sind sogenannte Klappensteller vorgesehen, wie z. B. ein Drosselklappensteller für die Drosselklappe, ein Wastegate-Steller für eine Wastegate-Klappe in einer Umgehungsleitung eines Turboladers, ein Ventilsteller für ein Abgasrückführungsventil und dergleichen. Ein derartiger Klappensteller weist in der Regel eine Einrichtung zur Lagerückmeldung auf, die es ermöglicht, das Stellglied des Klappenstellers, insbesondere eine Steuerklappe, die in dem zu steuernden Gasmassenstrom angeordnet ist, zu stellen.
Bei Einsatz eines derartigen Klappenstellers zum Einstellen eines Druck stromaufwärts oder stromabwärts der jeweiligen Klappe wird üblicherweise mit Hilfe einer Druckregelung, die im Motorsteuergerät ausgeführt sein kann, eine Sollposition des Klappenstellers berechnet. Eine solche Druckregelung kann beispielsweise zur Einstellung eines Ladedrucks in einem Bereich des Luftzuführungsabschnitts zwischen einer Aufladeeinrichtung und der Drosselklappe vorgesehen sein. Die Sollposition des Drosselklappenstellers wird dann mit Hilfe der Lagerückmeldung gemäß einer untergeordneten Lageregelung entweder vom Klappensteller, wenn dieser mit einer entsprechenden Regelungseinrichtung versehen ist, oder ebenfalls vom Motorsteuergerät eingeregelt.
Derartige Klappensteller weisen Betriebspunkte auf, bei denen die Positionsmessung für die Lagerückmeldung einen quasi geschlossenen Klappensteller anzeigt. Jedoch kann man feststellen, insbesondere bei einem Wastegatesteller eines Turboladers im Abgasabführungsabschnitt eines Verbrennungsmotors, dass sich der Druckabfall über der Klappe trotzdem mit einer Zupresskraft, d. h. einer Schließkraft des Klappenstellers, ändert, selbst wenn dieser quasi geschlossen ist bzw. durch die Positionsmessung als quasi geschlossen angezeigt wird. D. h., selbst wenn die Positionsmessung einen vollständig geschlossenen Klappensteller anzeigt, strömt ein Gasmassenstrom durch den Klappensteller. Durch ein weiteres Erhöhen der Schließkraft kann dieser Gasmassenstrom reduziert, bzw. vollständig unterbunden werden. Dies kann auf einen periodisch schwankenden Gasgegendruck zurückzuführen sein, der die Klappe dynamisch gegen die Schließkraft leicht aus der geschlossenen Position abhebt, und/oder von der Dichtheit der Klappe an ihren Anschlagsrändern (die abhängig von der Anpresskraft ist). Im Ergebnis ist in der Stellung der Klappe, bei der eine vollständig geschlossene Klappe angezeigt wird, der durch den Klappensteller strömende Gasmassenstrom abhängig von der Schließkraft.
Die durch die Positionsmessung gemessene Position der Klappe ist somit keine zuverlässige Größe, um in allen Betriebspunkten den Gasmassenstrom über die Klappe genau einstellen zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Klappenstellers, sowie ein Klappenstellersystem zur Verfügung zu stellen, wobei der Durchströmbereich, in dem Gasmassenströme einstellbar sind, insbesondere der Bereich von geringen Gasmassenströmen, genauer einstellbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Einstellen eines Klappenstellers gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Klappensteller und das Klappenstellersystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Steuern eines Massenstroms, insbesondere eines Gasmassenstroms in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, mit Hilfe eines Stellgebers, insbesondere eines Klappenstellers, für ein Stellglied, insbesondere für eine Klappe, vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen einer Stellgröße, die einen durch das Stellglied einzustellenden Massenstrom angibt;
– wenn die Stellgröße größer ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert, Ansteuern des Stellgebers gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung des Stellglieds;
– wenn die Stellgröße kleiner ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert, Ansteuern des Stellgebers, so dass sich das Stellglied in einer Schließposition befindet, wobei eine Schließkraft des Stellglieds abhängig von der Stellgröße eingestellt wird.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, den Stellgeber in einem ersten Betriebsbereich so anzusteuern, dass das Stellglied eine bestimmte Stellung einnimmt. Sollen kleine Massenströme eines steuernden Mediums realisiert werden, so wird der Stellgeber in eine Schließstellung verfahren oder belassen und dort über das Einstellen eines Schließdrucks angesteuert, um die Schließkraft einzustellen. Die Schließkraft bestimmt den Massenstrom, der an dem Stellglied vorbei strömt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Stellgeber einen Antrieb umfasst, wobei die Schließkraft durch Einstellen eines von der Stellgröße abhängigen Ansteuergröße, wie z. B. einen Ansteuerstrom, eine Ansteuerspannung, einen Ansteuerdruck, für den Antrieb eingestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Stellgrößenschwellenwert abhängig von einem Druckunterschied über das Stellglied und/oder abhängig von einer Viskosität des zu steuernden Mediums vorgegeben werden.
Das Ansteuern des Stellgebers gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung kann mit Hilfe einer Lageregelung des Stellgebers unter Verwendung einer Lagerückmeldung, die eine Angabe zu der momentanen Stellung des Stellglieds bereitstellt, durchgeführt werden.
Insbesondere kann der Stellgrößenschwellenwert durch einen Massenstrom vorgegeben werden, der durch eine unter Verwendung der Lageregelung einstellbare Stellung des Stellglieds einstellbar ist.
Weiterhin kann eine Zuordnung zwischen der Stellgröße, dem Druckunterschied über dem Stellglied zu einer Ansteuergröße zum Ansteuern des Stellgebers mit Hilfe eines Kennfelds durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Steuern eines Massenstroms, insbesondere eines Gasmassenstroms in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, mit Hilfe eines Stellgebers, insbesondere eines Klappenstellers, für ein Stellglied, insbesondere einer Klappe, vorgesehen. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein:

– um eine Stellgröße zu empfangen, die einen durch das Stellglied einzustellenden Massenstrom angibt;
– um den Stellgeber gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung des Stellglieds anzusteuern, wenn die Stellgröße größer ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert;
– um den Stellgeber anzusteuern, so dass sich das Stellglied in einer Schließposition befindet, wobei eine Schließkraft des Stellglieds abhängig von der Stellgröße eingestellt wird, wenn die Stellgröße kleiner ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Stellersystem vorgesehen. Das Stellersystem umfasst einen Stellgeber zum Stellen eines Stellglieds in einem Massenstrom und die obige Vorrichtung.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Stellgeber zum Steilen eines Wastegate-Ventils eines Abgasturboladers ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, der einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Klappenstellersystem mit einem Steuergerät zum Betreiben eines Klappenstellers; und
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Klappenstellers.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist ein Klappenstellersystem 1 mit einem Klappensteller 2 als Stellgeber vorgesehen. Ein derartiger Klappensteller 2 kann beispielsweise als Drosselklappensteller in einem Luftzuführungsabschnitt eines Kraftfahrzeugs oder als Wastegatesteller in einer Umgehungsleitung einer Turbine eines Abgasturboladers in einem Abgasabführungsabschnitt vorgesehen sein.
Weiterhin kann ein solcher Klappensteller 2 beispielsweise in Wastegates in einer Umgehungsleitung einer Turbine eines Turboladers bzw. in einer Bypassleitung für ein Bypassventil bei einem zweistufigen Turbolader eingesetzt werden. Jedoch ist der Einsatz eines solchen Klappenstellersystems nicht auf diese Anwendungsfälle beschränkt, sondern es kann ein solches Klappenstellersystem für jeden Klappensteller in einem Luftzuführungsabschnitt bzw. Abgasabführungsabschnitt eines Verbrennungsmotors oder eines sonstigen Systems für das Steuern von Massenströmen von Medien eingesetzt werden.
Der Klappensteller 2 dient zum Steuern eines Massenstroms eines Mediums durch eine Leitung 3. Der Klappensteller 2 weist dazu als Stellglied eine Klappe 4 auf, die in der Leitung 3 befindlichen, zu steuernden Strömung angeordnet ist. Die Klappe 4 ist im Wesentlichen mittig mit einer Stellwelle 5 verbunden, um die sie verdrehbar angeordnet ist. Die Klappe 4 ist so ausgebildet, dass sie in einer Schließstellung die Leitung 3 vollständig verschließt und in einer Offenstellung einen von der Stellung der Klappe 4, d. h. von einem Stellwinkel, einem Kippwinkel oder dergleichen, und dem Druckunterschied zwischen dem Bereich stromaufwärts der Klappe 4 und dem Bereich stromabwärts der Klappe 4 einstellt. Obwohl im vorliegendem Ausführungsbespiel die Klappe 4 im Wesentlichen mittig mit einer Stellwelle 5 verbunden ist, können auch andere Formen von Klappen 4, insbesondere Klappen, die nur einseitig schwenkbar gelagert sind, vorgesehen werden.
Die Stellwelle 5 wird über einen Antrieb 6 angesteuert. Der Antrieb 6 kann dazu ein (nicht gezeigtes) Getriebe aufweisen, um eine Abtriebswelle eines Elektromotors des Antriebs 6 mit der Stellwelle 5 zu koppeln. Weiterhin ist an der Stellwelle 5 beispielsweise an einem bezüglich der Klappe 4 gegenüberliegendem Ende der Stellwelle 5 ein Positionssensor 7 vorgesehen, der die Stellung der Klappe 4 in Form eines Stellwinkels, Öffnungsquerschnitt oder dergleichen als Stellungsangabe detektiert und eine entsprechende Messgröße des Stellwinkels bereitstellt.
Es ist ein Steuergerät 10 vorgesehen, das abhängig von einer vorgegebenen Stellgröße S, die im Wesentlichen einen zu stellenden Massenstrom angibt, den Antrieb 6 zur Einstellung der Stellung der Klappe 4 ansteuert. Die Stellgröße kann einen Stellwinkel oder eine Stellposition für die Klappe 4, einen Ansteuerstom für die Klappe 4, wenn der Antrieb 6 elektrisch ausgeführt ist, einen Massenstrom des zu stellenden Gasstroms angeben. Die Ansteuerung des Antriebs 6 erfolgt gemäß dem durch das Flussdiagramm der 2 dargestellten Verfahren.
In Schritt S1 ist vorgesehen, dass das Steuergerät 10 eine Stellgröße S empfängt, die eine Angabe für den einzustellenden Massenstrom sein kann. Alternativ kann die Stellgröße S auch ein Maß für eine gewünschte Offenstellung des Klappenstellers 2 angeben.
In Schritt S2 wird überprüft, ob die Stellgröße S größer ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert ist oder nicht. Ist die Stellgröße S größer als der vorgegebene Stellgrößenschwellenwert (Alternative: Ja), so wird in Schritt S3 die Klappe 4 gemäß einer in dem Steuergerät 10 implementierten Lageregelung bzw. Positionsregelung eingestellt.
Zur Realisierung der Lage- bzw. Positionsregelung wird die von dem Positionssensor 7 rückgemeldete Messgröße des Stellwinkels, des Öffnungsquerschnitts oder dergleichen als Stellungsangabe für die Lagerückkopplung verwendet. Eine Differenz aus der Stellungsangabe, die von dem Positionssensor 7 bereitgestellt wird, und der vorgegebenen Stellgröße, die eine entsprechende Soll-Stellung angibt, dient dabei als Regelabweichung.
Gibt die Stellgröße S einen Massenstrom an, so kann daraus mit Hilfe der Drosselgleichung und unter Kenntnis eines Druckabfalls über der Klappe eine benötigte Stellung abgeleitet werden.
Wird in Schritt S2 festgestellt, das die Stellgröße den Stellgrößenschwellenwert unterschreitet (Alternative: Nein), so wird im Schritt S4 abhängig von der empfangenen Stellgröße S die Klappe 4 in eine Schließposition verfahren und die Schließkraft abhängig von der Stellgröße S eingestellt. Das Einstellen der Schließkraft kann beispielsweise durch eine geeignete Bestromung des Elektromotors in dem Antrieb 6 erfolgen. Dabei ist der Elektromotor so mit der Klappe 4 gekoppelt, dass bei der Bestromung des Elektromotors, um diesen in die Schließstellung zu bringen, die Klappe gegen einen entsprechenden Anschlag in der Leitung 3 gepresst wird. Bei Verwendung des Elektromotors für den Antrieb 6 gilt, dass je höher der bereitgestellte Motorstrom ist, desto größer ist das bereitgestellte Stellmoment des Elektromotors und desto stärker ist die Schließkraft, mit der die Klappe 4 an den Anschlag gepresst wird.
Die einzustellende Schließkraft wird so gewählt, dass bei einer Stellgröße S, die einen Massenstrom von 0 angibt, die Schließkraft maximal gewählt ist. Die maximale Schließkraft ergibt sich aus einem vorgegebenen maximalen Energieverbrauch des Antriebs und/oder aus einem maximal zulässigen oder vorgegebenen Stellstrom des Elektromotors und kann beispielsweise durch eine entsprechende Messung ermittelt werden.
Wenn die Stellgröße S dem Stellgrößenstellenwert entspricht, der die Umschaltgrenze zwischen der Lage-Positionsregelung der Klappe und dem Steuerungsbetrieb durch Einstellen der Stellkraft entspricht, wird die Schließkraft minimal gewählt, so dass ein Massenstrom durch den Klappensteller 2 eingestellt wird, der einem minimal durch die Lageregelung einzustellenden Massenstrom entspricht. Da der sich einstellende Massenstrom von der Druckdifferenz des stromaufwärts der Klappe 4 liegenden Bereiches der Leitung 3 und des stromabwärts der Klappe 4 liegenden Bereichs der Leitung 3 und der Viskosität des zu steuernden Mediums bestimmt ist, ist unter Umständen je nach Art der Stellgröße S der Stellgrößenstellenwert abhängig von dem Druckverhältnis über die Klappe und der Viskosität des Mediums festzulegen, so dass im Wesentlichem kein Sprung bei Stellgrößen S für einstellbare Massenströme im Bereich des Stellgrößenschwellenwertes bewirkt wird. Im Allgemeinen soll gelten, dass der Massenstrom, der durch die minimale Schließkraft (minimale Bestromung) bewirkt wird und der Massenstrom, der durch die Stellgröße für die Klappe 4 bestimmt wird, der durch die Lage- bzw. Positionsregelung einstellbar ist, bei allen Betriebspunkten, d. h. Druckdifferenzen, und über einen Bereich von Viskositäten gleich sind.
Vorzugsweise ist in dem Steuergerät 10 ein Kennfeld implementiert, dass abhängig von der Druckdifferenz über der Klappe, abhängig von der Viskosität des Mediums (sofern die Klappe zum Steuern von Medien verschiedener Viskosität vorgesehen ist) und abhängig von der Schließkraft einen Massenstrom angibt. Auf diese Weise kann abhängig von einer bekannten (gemessenen oder modellierten) Druckdifferenz und abhängig von einem einzustellenden Massenstrom die notwendige Schließkraft, bzw. der dazu notwendige Motorstrom ermittelt werden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Massenstroms, insbesondere eines Gasmassenstroms in einem Motorsystem (4) mit einem Verbrennungsmotor, mit Hilfe eines Stellgebers (2), insbesondere eines Klappenstellers, für ein Stellglied (4), insbesondere einer Klappe, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen (S1) einer Stellgröße, die einen durch das Stellglied (4) einzustellenden Massenstrom angibt; – wenn die Stellgröße größer ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert, Ansteuern (S3) des Stellgebers (2) gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung des Stellglieds (4); – wenn die Stellgröße kleiner ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert, Ansteuern (S4) des Stellgebers (2), so dass sich das Stellglied (4) in einer Schließposition befindet, wobei eine Schließkraft des Stellglieds (4) abhängig von der Stellgröße eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stellgeber (2) einen Antrieb umfasst, wobei die Schließkraft durch Einstellen eines von der Stellgröße abhängigen Ansteuergröße, wie z. B. einen Ansteuerstrom, eine Ansteuerspannung, einen Ansteuerdruck, für den Antrieb eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stellgrößenschwellenwert abhängig von einem Druckunterschied über das Stellglied (4) und/oder abhängig von einer Viskosität des zu steuernden Mediums vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ansteuern des Stellgebers (2) gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung des Stellglieds (4) mit Hilfe einer Lageregelung des Stellgebers (2) unter Verwendung einer Lagerückmeldung, die eine Angabe zu der momentanen Stellung des Stellglieds (4) bereitstellt, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Stellgrößenschwellenwert durch einen Massenstrom vorgegeben wird, der durch eine unter Verwendung der Lageregelung einstellbaren Stellung des Stellglieds (4) einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Zuordnung zwischen der Stellgröße, dem Druckunterschied über dem Stellglied zu einer Ansteuergröße zum Ansteuern des Stellgebers (2) mit Hilfe eines Kennfelds durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Steuern eines Massenstroms, insbesondere eines Gasmassenstroms in einem Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor, mit Hilfe eines Stellgebers (2), insbesondere eines Klappenstellers (2), für ein Stellglied (4), insbesondere einer Klappe, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist: – um eine Stellgröße zu empfangen, die einen durch das Stellglied (4) einzustellenden Massenstrom angibt; – um den Stellgeber (2) gemäß einer der Stellgröße zugeordneten Stellung des Stellglieds (4) anzusteuern, wenn die Stellgröße größer ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert; – um den Stellgeber (2) anzusteuern, so dass sich das Stellglied (4) in einer Schließposition befindet, wobei eine Schließkraft des Stellglieds (4) abhängig von der Stellgröße eingestellt wird, wenn die Stellgröße kleiner ist als ein vorgegebener Stellgrößenschwellenwert.
Stellersystem (1), umfassend: – einen Stellgeber (2) zum Stellen eines Stellglieds (4) in einem Massenstrom; – eine Vorrichtung nach Anspruch 7.
Stellersystem (1) nach Anspruch 8, wobei der Stellgeber (2) zum Stellen eines Wastegate-Ventils eines Abgasturboladers ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt, der einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.