DE102011084086A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellen einer Endstellung einer Turbine für eine Aufladeeinrichtung mit variabler Turbinengeometrie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Einstellen einer Endstellung einer Turbine für eine Aufladeeinrichtung mit variabler Turbinengeometrie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Endstellung von Leitschaufeln (12) in einer Turbine (51) einer Aufladeeinrichtung (5) in einem Motorsystem (1), wobei die Leitschaufeln (12) mithilfe eines Aktuators (14) stellbar sind; wobei die Endstellung von einer Stellung an einem konstruktiv bedingten Endanschlag abhängig ist und einer Stellung der Leitschaufeln (12) der Turbine (51) mit einem vorbestimmten Gasdurchsatz entspricht, wobei zum Einstellen der Leitschaufeln (12) auf die Endstellung der Aktuator (14) mit einem vorbestimmten Stellungswert angesteuert wird, der die Leitschaufeln (12) in der Endstellung hält.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Aufladeeinrichtungen, insbesondere abgasgetriebene Turbolader für Verbrennungsmotoren. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum Festlegen von Endstellungen eines Stellers für eine Turbine eines Turboladers mit einer variablen Turbinengeometrie.
  • Stand der Technik
  • Verbrennungsmotoren werden zusehends häufiger mit Aufladeeinrichtungen und insbesondere mit abgasgetriebenen Turboladern versehen. Diese sogenannten Abgasturbolader weisen eine Turbine auf, die im Abgastrakt vorgesehen wird, wobei die Abgasenthalpie des dort strömenden Abgasstroms in mechanische Energie zum Antreiben eines Kompressors umgesetzt wird. Die Turbine verfügt über verstellbare Leitschaufeln, deren Stellung den Wirkungsgrad der in mechanische Energie gewandelten Abgasenthalpie bestimmen.
  • Aus der Druckschrift EP 2 208 863 A1 ist ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, bei dem die Leitschaufeln zwischen einer ersten und einer zweiten Endstellung verstellbar sind. Die Stellbewegungen der Leitschaufeln werden dazu über mechanische Anschläge begrenzt, die die Stellungen der Leitschaufeln in der ersten Endstellung für einen minimalen Abgasdurchsatz und in der zweiten Endstellung für einen maximalen Abgasdurchsatz definieren. Der minimale Abgasdurchsatz wird bislang mittels eines einstellbaren mechanischen Anschlags individuell für jeden Turbolader justiert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Einstellen einer Endstellung von Leitschaufeln einer Turbine in einer Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Einstellen einer Endstellung von Leitschaufeln in einer Turbine einer Aufladeeinrichtung in einem Motorsystem vorgesehen, wobei die Leitschaufeln mithilfe eines Aktuators stellbar sind; wobei die Endstellung von einer Stellung an einem konstruktiv bedingten Endanschlag abhängig ist und durch eine mechanische Blockierung bestimmt ist und wobei die Endstellung einer Stellung der Leitschaufeln der Turbine mit einem vorbestimmten Gasdurchsatz entspricht, und wobei zum Einstellen der Leitschaufeln auf die Endstellung der Aktuator mit einem vorbestimmten Stellungswert angesteuert wird, der die Leitschaufeln in der Endstellung hält.
  • Bei abgasbetriebenen Turbinen für Aufladeeinrichtungen ist in der Regel eine Endstellung des Stellers für Leitschaufeln für einen minimalen Abgasdurchsatz definiert. Der Einstellprozess für die Endstellung für den minimalen Gasdurchsatz ist notwendig, da dies Auswirkungen auf die Vorsteuerungen für eine Abgasrückführungsregelung und/oder für die Luftmassen- bzw. die Ladedruckregelung, insbesondere im transienten Zustand, hat.
  • Anstelle die Endstellung für den minimalen Gasdurchsatz mechanisch und individuell für jede Turbine durch einen Justageschritt einzustellen, ist nun vorgesehen, die betreffende Endstellung im Steuergerät basierend auf einer Stellung der Leitschaufeln bei einem konstruktionsbedingt vorkommenden mechanischen Endanschlag zu definieren. Bei einem konstruktionsbedingten mechanischen Endanschlag befinden sich die Leitschaufeln in einer definierten Position mit einem Gasdurchsatz, der geringer ist als der für die Endstellung benötigte minimale Gasdurchsatz.
  • Weiterhin kann das Verfahren weitestgehend automatisch durchgeführt werden und es entfällt insbesondere eine bisher notwendige Einstellprozedur mittels eines verstellbaren mechanischen Anschlags, der turbinenindividuell justiert werden muss. Weiterhin können durch die regelmäßige Festlegung der Endstellung in einem Steuergerät alterungsbedingter Verschleiß und somit alterungsbedingte Änderungen des minimalen Gasdurchsatzes berücksichtigt werden, während dies bei der Verwendung von verstellbaren mechanischen Anschlägen nicht möglich ist.
  • Weiterhin kann die Endstellung einer Stellung der Leitschaufeln entsprechen, die zwischen zwei konstruktiv bedingten Endanschlägen liegt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zum Einstellen der Leitschaufeln auf die Endstellung der Aktuator mit einem vorbestimmten Stellungswert angesteuert wird, so dass die Leitschaufeln gegen ein Auslenken in zwei Bewegungsrichtungen durch den Aktuator gehalten werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der vorbestimmte Stellungswert durch folgende Schritte ermittelt werden:
    • – Verfahren der Leitschaufeln der Turbine an einen Endanschlag;
    • – Erfassen eines Endanschlags-Stellungswerts, der der Stellung der Leitschaufeln an dem Endanschlag zugeordnet ist;
    • – Ermitteln eines Endstellungs-Stellungswertes, der eine Abweichung des Endanschlags von der Endstellung angibt;
    • – Bereitstellen des vorbestimmten Stellungswerts abhängig von dem Endanschlags-Stellungswert und dem Endstellungs-Stellungswert.
  • Die Stellung, die als Endstellung für den vorbestimmten Gasdurchsatz dienen soll, kann so durch einen Justierprozess ermittelt werden, woraus sich ein Stellungswert ergibt, um den die Steller für die Leitschaufeln ausgehend von der durch den Endanschlag definierten Stellung in Richtung einer zweiten Endstellung (Endstellung für einen maximalen Gasdurchsatz) bewegt werden, um die Endstellung für den vorbestimmten Gasdurchsatz zu erreichen.
  • Weiterhin kann das Bereitstellen des vorbestimmten Stellungswertes abhängig von einem Alterungs-Stellungswert durchgeführt werden, wobei der Alterungs-Stellungswert eine zeitliche Änderung des Endstellungs-Stellungswerts berücksichtigt.
  • Insbesondere kann der Endstellungs-Stellungswert als Durchschnittswert von mehreren Stellungswerten ermittelt werden, wobei jeder Stellungswert als Stellungswert an einer Stellung der Leitschaufeln bestimmt wird, bei dem bei einem vorgegebenen Betriebspunkt ein vorgegebener Gasdurchsatz erreicht wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Einstellen einer Endstellung von Leitschaufeln in einer Turbine einer Aufladeeinrichtung in einem Motorsystem vorgesehen, wobei die Leitschaufeln mithilfe eines Aktuators stellbar sind, wobei die Endstellung einer Stellung der Leitschaufeln der Turbine mit einem vorbestimmten Gasdurchsatz entspricht, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um zum Einstellen der Leitschaufeln auf die Endstellung den Aktuator mit einem vorbestimmten Stellungswert anzusteuern, der die Leitschaufeln in der Endstellung hält.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um:
    • – die Leitschaufeln der Turbine an einen Endanschlag zu verfahren;
    • – einen Endanschlags-Stellungswert zu erfassen, der der Stellung der Leitschaufeln an dem Endanschlag zugeordnet ist;
    • – einen Endstellungs-Stellungswert zu ermitteln, der eine Abweichung des Endanschlags von der Endstellung angibt;
    • – den vorbestimmten Stellungswert abhängig von dem Endanschlags-Stellungswert und dem Endstellungs-Stellungswert bereitzustellen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
    • – einen Verbrennungsmotor mit einer Aufladeeinrichtung, die eine Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln umfasst,
    • – die obige Vorrichtung.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer abgasbetriebenen Aufladeeinrichtung;
  • 2 einen Ausschnitt einer Querschnittsdarstellung durch eine Turbine einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit Leitschaufeln;
  • 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Adaptieren einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie;
  • 4 einen Ausschnitt einer Querschnittsdarstellung durch eine Turbine einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit Leitschaufeln in einer Anschlagsstellung; und
  • 5 einen Ausschnitt einer Querschnittsdarstellung durch eine Turbine einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit Leitschaufeln in einer Endstellung für einen minimalen Gasdurchsatz.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, z. B. einem Dieselmotor oder einem Ottomotor. Dem Verbrennungsmotor 2 wird Luft über einen Luftzuführungsabschnitt 3 zugeführt. Aus dem Verbrennungsmotor 2 ausgestoßenes Verbrennungsabgas wird über einen Abgasabführungsabschnitt 4 abgeführt.
  • Es ist eine Aufladeeinrichtung 5 vorgesehen, die in dem Abgasabführungsabschnitt 4 eine Turbine 51 aufweist. Die Turbine 51 dient dazu, die Abgasenthalpie des durch den Abgasabführungsabschnitt 4 geleiteten Verbrennungsabgases in mechanische Energie umzusetzen. Die Turbine 51 ist mit einem Verdichter 52 in dem Luftzuführungsabschnitt 3 derart mechanisch gekoppelt, dass der Verdichter 2 angetrieben wird.
  • Der Verdichter 52 dient dazu, Frischluft aus der Umgebung anzusaugen und unter einem Ladedruck in dem Luftzuführungsabschnitt 3 bereitzustellen. Die dem Verdichter 52 zugeführte mechanische Energie wird zum einen durch die bereitgestellte Abgasenthalpie, die im Wesentlichen von dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 2 abhängt, und zum anderen durch eine Stellung von Leitschaufeln im Inneren der Turbine 51 bestimmt.
  • Im Wesentlichen bestimmt die Stellung der Leitschaufeln den Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung, d. h. den Anteil der in dem Verbrennungsabgas enthaltenen Abgasenthalpie, der in mechanische Energie zum Antreiben des Kompressors 52 umgesetzt wird.
  • Weiterhin ist eine Steuereinheit 6 vorgesehen, die den Betrieb des Motorsystems 1 gemäß einer externen Vorgabe und sensorisch erfassten und modellierten Zustandsgrößen steuert. Die Steuereinheit 6 steuert auch die Stellung der Leitschaufeln der Turbine 51, um den Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung 5 zu bestimmen, um eine Ladedruckregelung oder dergleichen durchzuführen.
  • In 2 ist ein Ausschnitt einer Querschnittsdarstellung durch eine Turbine 51 für eine abgasbetriebene Aufladeeinrichtung 5 schematisch dargestellt. Man erkennt ein Verstellelement 11, das gegen ein nicht gezeigtes Turbinengehäuse verschwenkbar ist. An dem Turbinengehäuse sind Leitschaufeln 12 verschwenkbar angeordnet. Weiterhin sind die Leitschaufeln 12 mit dem Verstellelement 11 gekoppelt, so dass eine relative Verstellung des Verstellelements 11 gegen das Turbinengehäuse zu einer Schwenkbewegung der Leitschaufeln 12 führt. Die Verstellung des Verstellelements 11 wird durch einen Aktuator 14 bewirkt, der als ein pneumatischer oder elektrischer Steller ausgebildet sein kann. Die Leitschaufeln 12 sind zum Steuern eines Gasstroms auf im Inneren der Turbine 51 angeordneten Turbinenschaufeln 13 in Umfangsrichtung angeordnet. Der Aktuator 14 ist weiterhin mit einem Positionsgeber 15 gekoppelt, um jeder Stellung der Leitschaufeln 12 einen entsprechenden Stellungswert zuzuordnen.
  • Im Betrieb des Abgasturboladers 5 ist vorgesehen, die Leitschaufeln 12 zwischen zwei Endstellungen zu verschwenken. Eine erste Endstellung entspricht einer Stellung, bei der bei einem bestimmten Betriebspunkt des Motorsystems 1 ein minimaler definierter Gasdurchsatz durch die Turbine 51 erreicht wird. Eine zweite Endstellung der Leitschaufeln 12 entspricht einer Stellung, bei der ein definierter maximaler Gasdurchsatz durch die Turbine 51 erreicht wird.
  • Das Vorsehen der ersten Endstellung für einen minimalen Gasdurchsatz ist notwendig, da dies Auswirkungen auf die Vorsteuerung der Abgasrückführung bzw. auf die Luftmassen- bzw. Ladedruckregelung, insbesondere im transienten Zustand, hat. Hieraus resultiert ein direkter Zusammenhang zu Stickoxid- und Partikelemissionen.
  • Weiterhin wird der Abgasgegendruck beeinflusst. Steigt dieser durch ein fehlerhaftes Einstellen des minimalen Gasdurchsatzes bzw. ein fehlerhaftes Adaptieren von alterungsbedingten Parametern an, so erhöhen sich die Ladungswechselverluste.
  • Es ist daher notwendig, die erste Endstellung für den minimalen Gasdurchsatz präzise einzustellen und die Leitschaufeln 12 in die erste Endstellung verfahren zu können. Um einen mechanischen Anschlag zur Festlegung der ersten Endstellung zu vermeiden, der motorindividuell justiert werden muss, ist nun vorgesehen, eine Angabe für die erste Endstellung der Leitschaufeln 12 in dem Steuergerät 6 zu speichern und bei Bedarf abzurufen.
  • Das Ermitteln der Angabe für die erste Endstellung wird anhand eines Verfahrens zum Adaptieren einer Turbine 51 mit variabler Turbinengeometrie gemäß dem Flussdiagramm der 3 beschrieben. In einem Schritt S1 werden in einem Motornachlauf die Leitschaufeln 12 der Turbine 51 vollständig zugefahren, d. h. bis an den mechanischen, konstruktiv bedingten Endanschlag gefahren, bei dem die Leitschaufeln 12 aneinander anliegen. Eine weitere Bewegung der Leitschaufeln 12 in Richtung der Schließstellung wird dann blockiert, da die Leitschaufeln 12 aneinander anliegen. Der erste Endanschlag ist in der Regel willkürlich und bedingt einen Gasdurchsatz von Null oder von einem Wert, der geringer ist als der für eine erste Endstellung vorgesehene Gasdurchsatz.
  • 4 zeigt an einem möglichen Ausführungsbeispiel die Stellung der Leitschaufeln 12, die sich einstellt, wenn diese zu dem konstruktiv bedingten Endanschlag verfahren werden. Die Leitschaufeln 12 können dabei eine an einer benachbarten Leitschaufel 12 anliegende bzw. mit dieser überlappende Stellung einnehmen und bewirken so einen größtmöglichen Strömungswiderstand.
  • Durch den Positionsgeber 15 wird die Stellung der Leitschaufeln 12 am ersten Endanschlag erfasst und ein entsprechender Endanschlags-Stellungswert X0 im Steuergerät gespeichert (Schritt S2). Dieser Endanschlags-Stellungswert X0 wird bei nicht gealterten Aufladeeinrichtungen eine geringe Streuung aufweisen, die sich lediglich aus Bauteil- und Fertigungstoleranzen ergibt. Die Ermittlung der Stellung des ersten Endanschlags kann auch anhand des Vermessens von mehreren Aufladeeinrichtungen 5 vorgenommen werden, indem die ermittelten Endanschlags-Stellungswert X0 gemittelt werden.
  • In Schritt S3 wird der gewünschte Positionswert für den minimalen Gasdurchsatz in Form eines Werts x im Steuergerät festgelegt. Der Wert x ergibt sich aus der Vermessung einer bestimmten statistisch aussagekräftigen Menge von Turbinen 51 auf einer Fließbank. Die Vermessung erfolgt bei einem vordefinierten Betriebspunkt der Turbine 51, z. B. einer vorgegebenen Turbinendrehzahl und einem vorgegebenen Gasdifferenzdruck, wobei durch permanente Messung des Gasdurchsatzes die Einstellung der Leitschaufeln 12 erfolgt, bis ein gewünschter Gasdurchsatz erreicht ist.
  • Zum Anfahren der ersten Endstellung kann der Aktuator 14 für die Leitschaufeln 12 nun gemäß einer Angabe X0 + x angesteuert werden. Eine Turbine 51, bei der sich die Leitschaufeln 12 in der ersten Endstellung befinden, ist in 5 im Querschnitt dargestellt.
  • Anstelle des ersten Endanschlags kann alternativ auch eine Stellung des zweiten Endanschlags angefahren und vermessen werden. Der gewünschte Positionswert für den minimalen Gasdurchsatz kann dann ausgehend von dem zweiten Endanschlag ermittelt werden.
  • Zusätzlich kann ein Korrekturwert von Δx(t) berücksichtigt werden. Der Korrekturwert Δx(t) ist abhängig vom Verschleißzustand über der Lebensdauer der Aufladeeinrichtung 5. Hierzu kann eine zeitabhängige Korrekturfunktion Δx(t) auf Basis einer statistisch aussagekräftigen Menge an vermessenen unterschiedlich gealterten Turboladern auf der Fließbank ermittelt werden.
  • In Schritt S4 wird die erste Endstellung der Leitschaufeln 12 angefahren, wenn dies von der Steuereinheit 6 angefordert wird. Gleichzeitig wird unterbunden, dass die Leitschaufeln 12 Stellungen einnehmen, die sich zwischen der eingelernten Endstellung und dem ersten Endanschlag befinden.
  • Die Position des Endanschlags X0 kann in regelmäßigen Abständen, z. B. im Motornachlauf, gelernt werden. Dies sollte möglichst bei gleicher Temperatur der Aufladeeinrichtung 5 erfolgen. Als Ansatzpunkt hierfür können beispielsweise die Motortemperatur oder die Öltemperatur (beispielsweise 10 Minuten nach Abstellen des Verbrennungsmotors 2) verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2208863 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Einstellen einer Endstellung von Leitschaufeln (12) in einer Turbine (51) einer Aufladeeinrichtung (5) in einem Motorsystem (1), wobei die Leitschaufeln (12) mithilfe eines Aktuators (14) stellbar sind; wobei die Endstellung von einer Stellung an einem konstruktiv bedingten Endanschlag abhängig ist und einer Stellung der Leitschaufeln (12) der Turbine (51) mit einem vorbestimmten Gasdurchsatz entspricht, wobei zum Einstellen der Leitschaufeln (12) auf die Endstellung der Aktuator (1.4) mit einem vorbestimmten Stellungswert angesteuert wird, der die Leitschaufeln (12) in der Endstellung hält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Endstellung einer Stellung der Leitschaufeln (12) entspricht, die zwischen zwei konstruktiv bedingten Endanschlägen liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Einstellen der Leitschaufeln (12) auf die Endstellung der Aktuator (14) mit einem vorbestimmten Stellungswert angesteuert wird, so dass die Leitschaufeln (12) gegen ein Auslenken in zwei Bewegungsrichtungen durch den Aktuator (14) gehalten werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorbestimmte Stellungswert durch folgende Schritte ermittelt wird: – Verfahrender Leitschaufeln (12) der Turbine (51) an den Endanschlag, der durch eine mechanische Blockierung bestimmt ist; – Erfassen eines Endanschlags-Stellungswertes, der der Stellung der Leitschaufeln (12) an dem Endanschlag zugeordnet ist; – Ermitteln eines Endstellungs-Stellungswertes, der eine Abweichung des Endanschlags von der Endstellung angibt; – Bereitstellen des vorbestimmten Stellungswertes abhängig von dem Endanschlags-Stellungswert und dem Endstellungs-Stellungswert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bereitstellen des vorbestimmten Stellungswerts abhängig von einem Alterungs-Stellungswert durchgeführt wird, wobei der Alterungs-Stellungswert eine zeitliche Änderung des Endstellungs-Stellungswerts berücksichtigt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Endstellungs-Stellungswert als Durchschnittswert von jeweiligen Stellungswerten ermittelt wird, wobei jeder Stellungswert als Stellungswert an einer Stellung der Leitschaufeln (12) bestimmt wird, bei dem bei einem vorgegebenen Betriebspunkt ein vorgegebener Gasdurchsatz erreicht wird.
  7. Vorrichtung zum Einstellen einer Endstellung von Leitschaufeln (12) in einer Turbine (51) einer Aufladeeinrichtung (5) in einem Motorsystem (1), wobei die Leitschaufeln (12) mithilfe eines Aktuators (14) stellbar sind, wobei die Endstellung einer Stellung der Leitschaufeln (12) der Turbine (51) mit einem vorbestimmten Gasdurchsatz entspricht, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um zum Einstellen der Leitschaufeln (12) auf die Endstellung den Aktuator (14) mit einem vorbestimmten Stellungswert anzusteuern, der die Leitschaufeln 812) in der Endstellung hält.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner ausgebildet ist, um: – die Leitschaufeln (12) der Turbine (51) an einen Endanschlag zu verfahren; – einen Endanschlags-Stellungswert zu erfassen, der der Stellung der Leitschaufeln an dem Endanschlag zugeordnet ist; – einen Endstellungs-Stellungswert zu ermitteln, der eine Abweichung des Endanschlags von der Endstellung angibt; – den vorbestimmten Stellungswert abhängig von dem Endanschlags Stellungswert und dem Endstellungs-Stellungswert bereitzustellen.
  9. Motorsystem (1) umfassend: – einen Verbrennungsmotor (2) mit einer Aufladeeinrichtung (5), die eine Turbine (51) mit verstellbaren Leitschaufeln (12) umfasst, – eine Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8.
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