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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebs für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Es ist allgemein bekannt, bei Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen durch Einsatz eines so genannten Wastegates eine Ladeluftregelung durchzuführen. Bei einem Wastegate einer Wastegate-Ventilanordnung handelt es sich in der Regel um eine einfache Klappe, mittels der die Menge eines über die Abgasturbine eines Abgasturboladers strömenden Abgasstromes mittels eines elektrischen Stellantriebes geregelt wird. Solche Stellantriebe sind über ein aus einem Gehäuse geführten Gestänge oder Schubstange mit dem Wastegate verbunden. Zum Halten der geschlossenen Position des Wastegates können bei solchen Stellantrieben im Gestänge Werte bis ca. 250 N erforderlich sein. Diese Kräfte müssen permanent bereitgestellt werden, um das Wastegate zuverlässig in der geschlossenen Stellung zu halten, so dass das Wastegate trotz der Abgas-Gegenkräfte dicht bleibt.
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Aus der
DE 10 2008 051 818 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines in einem Bypasskanal für eine Turbine eines Abgasturboladers angeordneten Wastegates mittels eines elektrischen Stellantriebes bekannt, bei dem ein Abgasstrom einer Brennkraftmaschine über den Bypasskanal durch Öffnen oder Schließen des Wastegates an der Turbine vorbeigeleitet oder vollständig auf die Turbine geleitet werden kann. Bei einer Lastanforderung an die Brennkraftmaschine wird das Wastegate geschlossen und mit einer vorbestimmten ersten Kraft gegen einen Wastegate-Ventilsitz gedrückt, wobei diese vorbestimmte erste Kraft derart gewählt wird, dass gegen den Abgasdruck der Brennkraftmaschine während der Lastanforderung und wenigstens bis zum Erreichen eines gewünschten Drehmomentes der Bypasskanal strömungsdicht verschlossen bleibt. Ferner ist bei diesem bekannten Verfahren vorgesehen, dass in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine das Wastegate geschlossen und mit einer vorbestimmten zweiten Kraft gegen den Wastegate-Ventilsitz gedrückt wird, wobei die vorbestimmte zweite Kraft kleiner ist als die vorbestimmte erste Kraft. Die vorbestimmte erste Kraft wird durch Bestromung des elektrischen Stellantriebes mit einem maximalen Haltestrom erzeugt. Die Reduzierung dieses die erste Kraft bestimmenden Haltestroms auf einen zweiten niedrigeren Wert dient dem Überhitzungsschutz des Stellmotors des elektrischen Stellantriebes.
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Bei diesem bekannten Verfahren wird mit voreingestellten Stromstärkewerten des Elektromotors des elektrischen Stellantriebes jeweils eine bestimmte Schließkraft an dem Wastegate erzeugt, wobei der höhere Wert bei einer Lastanforderung oder bei transienten Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine und der niedrigere Wert bei Teillast erzeugt wird. Nachteilig ist jedoch, dass der höhere Wert so gewählt werden muss, dass bei allen auftretenden Betriebsbedingungen der Bypass-Kanal von dem Wastegate dicht verschlossen wird, insbesondere bei transienter Betriebsweise der Brennkraftmaschine, also bei einem Beschleunigungsvorgang oder schnellen Lastwechseln, bei denen durch auftretende Druckpulsationen des Abgases das Wastegate kurzzeitig aufgedrückt werden kann. Daraus folgt, dass auch bei Betriebsbedingungen, unter denen die zum dichten Verschließen des Wastegates benötigte Kraft durch geringere Stromwerte ausreichen würden, der Stellmotor unnötigerweise mit dem dann zu hohen maximalen bzw. dem möglicherweise ebenfalls deutlich zu hohen Kraftniveau beaufschlagt wird.
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Da bei Stellantrieben für Wastegates in deren Schubstangen Kräfte weit über 250 N erreicht werden, besteht die Gefahr, dass bei einer konstant erzeugten Schließkraft, wie dies das Verfahren gemäß der
DE 10 2008 051 818 A1 vorschlägt, solche Kräfte zu Schädigungen an dem Abgasturbolader bzw. dessen Gehäuse und zu erhöhtem Verschleiß führen, da bspw. bei einem über eine Schubstange betätigbaren Wastegate die in dieser Schubstange erzeugten Betätigungskräfte zu Reaktionskräften in dem Gehäuse des Abgasturboladers führen.
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Ferner beschreibt die
DE 10 2009 028 117 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Stellantriebs für eine Wastegate-Stellvorrichtung eines Abgasturboladers, bei dem ein Wastegate mit Hilfe des Stellantriebs elektrisch verstellbar und in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei abhängig von einer Öffnungsstellung des Wastegates eine den Abgasturbolader durchströmende Abgasmenge einstellbar ist. Bei diesem Verfahren wird während einer Schließstellung des Wastegates der Stellantrieb mit einem elektrischen Strom bestromt, derart, dass ein entsprechend dem Verlauf eines über dem Wastegate anliegenden Abgasgegendrucks eine variierender Schließkraft erzeugt wird. Dabei kann der Stellantrieb so angesteuert werden, dass die Schließkraft im zeitlichen Verlauf im Wesentlichen proportional oder zeitlich versetzt proportional zum Abgasgegendruck verläuft. Da der zeitliche Verlauf des Abgasgegendrucks von der Kurbelwellenstellung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abhängt, wird zum Einhalten der Schließstellung des Wastegates der Stellantrieb abhängig von der Kurbelwellenstellung bestromt.
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Wenn auch mit diesem Verfahren gegenüber dem Verfahren nach der zuerst genannten
DE 10 2008 051 818 A1 die Verlustleistung des Stellantriebs reduzierbar ist, besteht dennoch der Nachteil, dass im geschlossenen Zustand des Wastegates Druckpulsationen des Abgases auftreten können, die zu einem geringfügigen und kurzzeitigen Aufdrücken des Wastegates führen könnten.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei der das Wastegate mit Schließkräften beaufschlagt wird, die optimal an die in allen Betriebsbedingungen auftretenden Abgasdrücken angepasst sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und ein computerlesbares Speichermedium mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der erstgenannten Lösung zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein in einem Bypasskanal des Abgasturboladers angeordnetes Wastegate mittels des Stellantriebes zur Einstellung des über den Bypasskanal an dem Abgasturbolader vorbeigeleiteten Abgasstromes geschlossen oder geöffnet wird, besteht darin, im geschlossenen Zustand des Wastegates dasselbe mit einer vorbestimmten Schließkraft zu beaufschlagen, derart, dass die Schließkraft auf einen Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit eines Schließkraft-Istwertes geregelt wird.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm und das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt weisen Instruktionen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
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Das erfindungsgemäße computerlesbare Speichermedium weist ein erfindungsgemäßes Computerprogramm oder ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt auf.
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Die Idee der Erfindung ist, dass die Kraft, die aufgebracht wird, immer etwas größer ist, als die maximale Abgaskraft. Es erfolgt erfindungsgemäß eine Regelung der erzeugten Schließkraft auf einen Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit eines Schließkraft-Istwertes. Im geschlossenen Zustand des Wastegates erhält man die erforderliche Dichtigkeit über alle Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine auch bei über die Betriebsdauer auftretender Verschleißerscheinungen. Aufgrund der sichergestellten Dichtigkeit über den gesamten Betriebsbereich wird das Drehmomentverhalten der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich verbessert. Ferner werden durch die ständig kontrollierte Schließkraft an dem Wastegate weitestgehend Schädigungen des Abgasturboladers und des Wastegates vermieden.
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Eine kostengünstige Lösung zur Bereitstellung eines Schließkraft-Istwertes stellt eine Weiterbildung der Erfindung dar, bei welcher der Schließkraft-Istwert aus dem Betriebsstrom und der Temperatur des Stellantriebes mittels eines Rechenmodells geschätzt wird. Ein Kraftsensor ist daher nicht erforderlich. Vorzugsweise ist es vorgesehen, zusätzlich in das Rechenmodell auch die Position des Wastegates aufzunehmen, so dass die beiden Zustände „offenes Wastegate” und „geschlossenes Wastegate” jeweils mit der richtigen Schließkraft realisierbar sind.
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Weiterhin wird in einer Ausgestaltung der Erfindung aus dem Schließkraft-Sollwert und dem ermittelten Schließkraft-Istwert eine Regelabweichung ermittelt und einen Regler, beispielsweise einem PID-Regler, zur Erzeugung der Steuersignale zur Regelung des Stellantriebs zugeführt. Die Verwendung eines PID-Reglers zur Regelung der Schließkraft des Wastegates hat sich als besonders vorteilhaft und zweckmäßig erwiesen, da dieser Reglertyp sehr schnell ist und daher der hohen Dynamik im Verhalten des Abgasdruckes entgegenkommt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der zweitgenannten Lösung zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein in einem Bypasskanal des Abgasturboladers angeordnetes Wastegate mittels des Stellantriebes zur Einstellung des über den Bypasskanal an dem Abgasturbolader vorbeigeleiteten Abgasstromes geschlossen oder geöffnet wird, besteht dann, im geschlossenen Zustand des Wastegates dasselbe mit einer vorbestimmten Schließkraft zu beaufschlagen, derart, dass ein die Schließkraft bestimmender Betriebsparameter des Stellantriebes auf einen Sollwert in Abhängigkeit eines Istwertes dieses Betriebsparameters geregelt wird.
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Diese zweitgenannte Lösung zeichnet sich also dadurch aus, dass anstelle der Schließkraft als Regelgröße ein die Schließkraft bestimmender Betriebsparameter des Stellantriebes, vorzugsweise dessen Betriebsstrom verwendet wird. Damit kann eine solche Regelung der Schließkraft mittels eines solchen Betriebsparameters des Stellantriebes einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Hierbei ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass aus einem Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit der mittels eines Positionssensors bestimmten Position des Wastegates und der Betriebstemperatur des Stellantriebes mittels eines Rechenmodells ein Betriebsstrom-Sollwert bestimmt und durch Vergleich mit einem Betriebsstrom-Istwert eine Regelabweichung ermittelt wird, welche einem PID-Regler zur Erzeugung der Steuersignale zur Regelung des Stellantriebs zugeführt wird. Auch hier ist die Verwendung eines PID-Reglers zur Regelung der Schließkraft des Wastegates vorteilhaft, da dieser Reglertyp sehr schnell ist und daher der hohen Dynamik im Verhalten des Abgasdruckes entgegenkommt.
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Alternativ kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Betriebstemperatur des Stellantriebes aus der dem Stellantrieb als Spannungssignal bzw. Steuersignal zugeführten Motorspannung und dessen Betriebsstrom mittels eines Rechenmodells geschätzt wird. Vorzugsweise wird dabei ein gemittelter Wert der Motorspannung und/oder ein gemittelter Wert des Betriebsstroms verwendet. Damit wird gegenüber der Verwendung eines Temperatursensors eine kostengünstige Lösung realisiert.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass der Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Damit geht jede Änderung im Betriebszustand der Brennkraftmaschine unmittelbar in die Bestimmung des Sollwertes für die Schließkraft bzw. für den die Schließkraft bestimmenden Betriebsparameter des Stellantriebs ein, wodurch eine hohe Regelungsgenauigkeit erzielt wird.
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Schließlich wird mit einer Ausgestaltung der Erfindung ein Schutz vor Überhitzung des Stellantriebes erzielt, wonach bei einer Temperatur des Stellantriebs, welche eine Übertemperatur-Schwelle überschreitet, der Schließkraft-Sollwert oder der Sollwert für den die Schließkraft bestimmenden Betriebsparameter des Stellantriebes auf einen niedrigeren Wert reduziert wird.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Diese Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Bypasskanal des Abgasturboladers angeordneten Wastegate, welches mittels des Stellantriebes zur Einstellung des über den Bypasskanal an dem Abgasturbolader vorbeigeleiteten Abgasstromes geschlossen oder geöffnet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung ausgebildet ist im geschlossenen Zustand des Wastegates dasselbe mit einer vorbestimmten Schließkraft zu beaufschlagen, derart, dass die Schließkraft oder ein die Schließkraft bestimmender Betriebsparameter des Stellantriebs mittels eines Schließkraftreglers auf einen Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit eines Schließkraft-Istwertes oder auf einen Sollwert dieses Betriebsparameters in Abhängigkeit eines Istwertes geregelt wird.
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Eine derartige Vorrichtung kann bei einem Kraftfahrzeug einfach in eine bestehende elektronische Motorregelung der Brennkraftmaschine integriert werden.
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In konstruktiv einfacher Weise kann zur Ermittlung des Schließkraft-Istwertes ein Kraftsensor vorgesehen werden.
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Alternativ zur Verwendung eines Kraftsensors ist es weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass zur Berechnung des Schließkraft-Istwertes aus dem Betriebsstrom und der Temperatur des Stellantriebes sowie der mittels eines Positionssensors ermittelten Position des Wastegates eine Schließkraftschätzeinheit vorgesehen ist. Aufgrund der softwaremäßigen Lösung kann diese Vorrichtung kostengünstig realisiert werden.
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Eine weitere die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kostensenkende Ausgestaltung sieht vor, dass zur Berechnung des Sollwertes des die Schließkraft bestimmenden Betriebsparameter des Stellantriebes eine Sollstromberechnungseinheit vorgesehen ist, welche ausgebildet ist aus einem Schließkraft-Sollwert, der Temperatur des Stellantriebes und der mittels eines Positionssensors ermittelten Position des Wastegates einen Betriebsstrom-Sollwert zu berechnen.
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Vorzugsweise kann hierfür ein Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur des Stellantriebes eingesetzt werden oder kostengünstig eine Temperaturschätzeinheit zur Berechnung der Temperatur aus der Korrelation vom Betriebsstrom zu Betriebsspannung des Stellantriebes und der dem Stellantrieb zugeführten Motorspannung verwendet werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind ebenfalls möglich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Schließkraft-Istwert mittels eines Kraftsensors bestimmt, wodurch eine konstruktiv einfach zu realisierende Lösung gegeben ist. Ein solcher Kraftsensor kann als Dehnmessstreifen an der die Verbindung zum Wastegate herstellenden Schubstange des Stellantriebs angeordnet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Betriebstemperatur des Stellantriebes mittels eines Temperatursensors bestimmt wird, wodurch konstruktiv eine einfache Lösung gegeben ist.
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In einer Ausgestaltung ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine vorgesehen, mit Mitteln zum Öffnen oder schließen eines in einem Bypasskanal des Abgasturboladers angeordneten Wastegate mittels des Stellantriebes zur Einstellung des über den Bypasskanal an dem Abgasturbolader vorbeigeleiteten Abgasstromes, wobei im geschlossenen Zustand des Wastegates dasselbe mit einer vorbestimmten Schließkraft beaufschlagt wird, derart, dass die Schließkraft auf einen Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit eines Schließkraft-Istwertes geregelt wird.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf:
Mittel zum Schätzen des Schließkraft-Istwerts aus dem Betriebsstrom und der Betriebstemperatur des Stellantriebes sowie vorzugsweise aus der mittels eines Positionssensors bestimmten Position des Wastegates mittels eines Rechenmodells.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf:
Mittel zum Ermitteln einer Regelabweichung aus dem Schließkraft-Sollwert und dem ermittelten Schließkraft-Istwert und zum Zuführen der ermittelten Regelabweichung zu einem Regler zur Erzeugung der Steuersignale zur Regelung des Stellantriebs.
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In einer Ausgestaltung ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine vorgesehen, mit Mitteln zum Öffnen oder Schließen eines in einem Bypasskanal des Abgasturboladers angeordneten Wastegates mittels des Stellantriebes zur Einstellung des über den Bypasskanal an dem Abgasturbolader vorbeigeleiteten Abgasstromes, wobei im geschlossenen Zustand des Wastegates dasselbe mit einer vorbestimmten Schließkraft beaufschlagt wird, derart, dass ein die Schließkraft bestimmender Betriebsparameter des Stellantriebes auf einen Sollwert in Abhängigkeit eines Istwertes dieses Betriebsparameters geregelt wird.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf:
Mittel zum Verwenden des Betriebsstroms des Stellantriebes als die Schließkraft bestimmender Betriebsparameter, wobei aus einem Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit der mittels eines Positionssensors bestimmten Position des Wastegates und der Betriebstemperatur des Stellantriebes mittels eines Rechenmodells ein Betriebsstrom-Sollwert bestimmt wird und durch Vergleich mit einem Betriebsstrom-Istwert eine Regelabweichung ermittelt wird, welche einem Regler zur Erzeugung der Steuersignale zur Regelung des Stellantriebs zugeführt wird.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf:
Mittel zum Berechnen der Temperatur des Stellantriebes aus der dem Stellantrieb zugeführten Motorspannung und Schätzen dessen Betriebsstroms mittels eines Rechenmodells.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf:
Mittel zum Bestimmen des Schließkraft-Sollwerts in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung auf:
Mittel zum Reduzieren des Schließkraft-Sollwerts oder des Sollwerts für den die Schließkraft bestimmenden Betriebsparameter des Stellantriebes auf einen niedrigeren Wert bei einer Temperatur des Stellantriebs, welche eine Übertemperatur-Schwelle überschreitet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß der Erfindung;
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2 ein Blockschaltbild eines Stellantriebes mit Ansteuerschaltung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 ein Ablaufdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Computerprogramms.
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4 ein Ablaufdiagramm als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts.
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5 ein Blockschaltbild als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen computerlesbaren Speichermediums.
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6 ein Blockschaltbild eines Stellantriebes mit Ansteuerschaltung als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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7 ein Blockschaltbild des Schließkraftreglers nach 6;
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8 ein Blockschaltbild eines Stellantriebes mit Ansteuerschaltung als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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9 ein Blockschaltbild eines Stellantriebes mit Ansteuerschaltung als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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10 ein Blockschaltbild des Schließkraftreglers nach 9;
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11 ein Blockschaltbild eines Stellantriebes mit Ansteuerschaltung als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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12 ein Blockschaltbild des Schließkraftreglers gemäß 11 mit einer Temperaturschätzeinheit; und
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13 ein Blockschaltbild der Temperaturschätzeinheit nach 2.
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Die Brennkraftmaschine 1 nach 1 zeigt andeutungsweise einen Zylinder mit einer Brennkammer 3 und einem Einlass- und Auslassventil. Der Abgasstrom 4a aus der Brennkammer 3 wird mittels einer Abgasleitung 4 über eine Turbine 2a eines Abgasturboladers 2 geleitet, welche mit einem Verdichterrad 2b verbunden ist, dem über einen Frischluftkanal 5 mittels eines Frischluftfilters 13 gefilterte Frischluft zur Verdichtung zugeführt wird. Die verdichtete Luft wird von einem Ausgang des Verdichters 2b über einen Ladeluftkühler 8 und einer Drosselklappe 7 der Brennkammer 3 zugeführt. Ferner ist auf der Verdichterseite des Abgasturboladers 2 ein Umluftventil 10 angeordnet, welches verhindert, dass beim Schließen der Drosselklappe 7 verdichtete Luft in das Verdichtergehäuse des Abgasturboladers 2 zurückschlägt und dort das Verdichterrad 2b abbremst, was zu einem Schaden am Abgasturbolader 2 führen könnte.
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Ferner ist zwischen der Drosselklappe 7 und dem Einlassventil der Brennkammer 3 ein Ladedrucksensor 6 angeordnet, dessen Messsignale einem Motorsteuergerät zugeführt wird. Ebenso werden die Messsignale eines Luftmassensensors 9 diesem Motorsteuergerät zugeführt.
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Auf der Turbinenseite des Abgasturboladers 2 weist die Abgasleitung 4 einen Bypass-Kanal 11 auf, der mittels einer ein Wastegate 21 aufweisende Bypass-Ventilanordnung 20 geöffnet oder verschlossen werden kann, so dass im geöffneten Zustand des Wastegates 21
ein Teil des Abgasstromes 4a an der Turbine 2a vorbeigeleitet werden kann, um sich mit dem durch die Turbine 2a geleiteten Abgasstrom wieder zu vereinigen, bevor der gesamte Abgasstrom 4a durch einen Katalysator 12 geleitet wird.
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Die Bypass-Ventilanordnung 20 wird von einem Stellantrieb 30 betätigt, der seinerseits von einer Steuereinheit 40 gesteuert wird.
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Das Verfahren zur Steuerung der Bypass-Ventil-anordnung 20 wird im Folgenden anhand der 2 bis 13 erläutert, die u. a. verschiedene Ausführungsbeispiele der Steuereinheit 40 zeigen, wobei diese Steuereinheit 40 wahlweise in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1 integriert werden kann oder alternativ im Stellantrieb selbst.
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Gemäß 2 umfasst der Stellantrieb 30 einen Elektromotor 31, der als Linearantrieb über eine Schubstange 32 das Wastegate 21 der Bypass-Ventilanordnung 21 betätigt, also aus einem den Bypass-Kanal 11 verschließenden geschlossenen Zustand in einen den Bypass-Kanal 11 freigebenden offenen Zustand verstellt und umgekehrt. Ferner weist dieser Stellantrieb 30 einen die Position des Wastegates 21 erfassenden Positionssensors 33 sowie einen Kraftsensor 34 auf, welcher bspw. mittels eines Dehnmessstreifens die an der Schubstange 32 durch das Drehmoment des Elektromotors 31 erzeugte, auf das Wastegate 21 wirkende Schließkraft misst.
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Der Elektromotor 31 des Stellantriebes 30 wird von einer Treiberschaltung 41 der Steuereinheit 40 gemäß 2 mittels eines PWM-Signals UPWM gesteuert, welches die Motorspannung des Elektromotors 31 darstellt. Hierzu ist die Treiberschaltung 41 mittels Halbleiterschaltern in H-Brückenschaltung aufgebaut. Das Messsignal des Positionssensors 33, das den Öffen- bzw. Schließzustand des Wastegates 21 anzeigt wird einem Stellungsregler 42 zugeführt. Das die aktuelle Schließkraft Fact anzeigende Messsignal des Kraftsensors 34 verwendet ein Schließkraftregler 50 der Steuereinheit 40. Schließlich weist die Steuereinheit 40 noch eine Diagnoseeinheit 43 auf.
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Die Treiberschaltung 41 wird von einer Batteriespannung UBatt eines Bordnetzes versorgt.
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Der Schließkraftregler 50 ist Teil eines Regelkreises zur Regelung der Schließkraft F des Wastegates 21 als Regelgröße. Dieser Regelkreis umfasst als Regler diesen Schließkraftregler 50, als Stellglied die Treiberschaltung 41 zusammen mit dem Elektromotor 31 und als Regelstrecke die Bypass-Ventilanordnung 20 mit dem Wastegate 21 sowie als Rückkopplung der aktuellen Schließkraft Fact als Schließkraft-Istwert auf den Schließkraftregler 50 den Kraftsensor 34.
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Als Schließkraft-Sollwert der Schließkraft F an dem Wastegate 21 wird von einem Motorsteuergerät 60 ein Schließkraft-Sollwert Freq erzeugt und dem Schließkraftregler 50 zugeführt. Dieser Schließkraft-Sollwert Freq wird in Abhängigkeit des Messwertes des Luftmassensensor 1 (vgl. 1) und ggf. in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 anhand eines in dem Steuergerät 60 abgelegten Kennfeldes ermittelt. Aus diesem Schließkraft-Sollwert Freq und dem Schließkraft-Istwert Fact wird mittels des Schließkraftreglers 50 eine Regelabweichung gebildet und hieraus ein Steuersignal SF erzeugt, welches mit einem Steuersignal SPOS verendet (Summenglied 44) und der Treiberschaltung 41 zugeführt wird, welche hieraus ein Spannungssignal, d. h. das PWM-Signal UPWM als Steuergröße für den Elektromotor 31 erzeugt, so dass das entsprechende Drehmoment eine bestimmte Schließkraft F an dem Wastegate 21 bewirkt.
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Mit dieser Regelung der Schließkraft F des Wastegates 21 auf einen vorgegebenen Schließkraft-Sollwert Freq wird die Schließkraft F laufend kontrolliert und ggf. nachgeregelt, nicht nur wenn sich die Betriebsverhältnisse ändern, sondern wenn sich insbesondere die durch den Abgasstrom 4a veranlasste Druckverhältnisse an dem Wastegate 21 ändern.
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Die 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Computerprogramms 70. Das Computerprogramm 70 beginnt bei einem Entscheidungsblock 72, bei welchem entscheiden wird, ob das Wastegate geöffnet oder geschlossen wird. Wird das Wastegate geöffnet fährt das Programm bei Anweisung 73 mit dem Öffnen des Wastegate fort. Wird das Wastegate geschlossen, fährt das Programm bei Anweisung 74 mit dem Schließen des Wastegate fort. Anschließend wird das Wastegate in Anweisung 75 mit einer vorbestimmten Schließkraft beaufschlagt. Nach dem Öffnen oder Schließen des Wastegate kehrt das Programm zu Entscheidungsblock 72 zurück.
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Die 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts 71. Das Computerprogrammprodukt 71 in 4 entspricht dem Computerprogramm in 3.
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Die 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen computerlesbaren Speichermediums 80. Das computerlesbare Speichermedium 80 in 5 weist ein Computerprogramm 70 gemäß 3 auf.
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Die 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich gegenüber demjenigen nach 2 darin unterscheidet, dass der Stellantrieb 30 anstelle eines Kraftsensors einen die Betriebstemperatur Tact erfassenden Temperatursensor 35 und die Steuereinheit 40 zusätzlich eine Schließkraftschätzeinheit 51 aufweist. Mit dieser Schließkraftschätzeinheit 51 wird auf der Basis der Betriebsparameter Betriebsstrom Iact und Betriebstemperatur Tact des Stellantriebs 30, also des Elektromotors 31 die aktuelle Schließkraft Fact_est als Istwert geschätzt.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird mittels eines Regelkreises die Schließkraft F an dem Wastegate 21 auf einen Sollwert geregelt, wobei im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 2 die Rückkopplung der Regelgröße über den Temperatursensor 35 und die Schließkraftschätzeinheit 51 auf den Schließkraftregler 50 erfolgt.
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Die Funktion des Schließkraftreglers 50 und der Schließkraftschätzeinheit 51 wird anhand von 7 erläutert.
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Über das Motorsteuergerät 60 werden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 einer Schließkraftberechnungseinheit 50a zugeführt, die auf der Basis dieser Betriebsparameter einen Schließkraft-Sollwert Freq bestimmt. Diese Schließkraftberechnungseinheit 50a kann auch Bestandteil des Motorsteuergerätes 60 sein.
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Mittels der Schließkraftschätzeinheit 51 wird ein Schließkraft-Istwert Fact_est mittels eines mathematischen Modells geschätzt. Hierzu wird folgende Formel verwendet: Fact-est = (B(Tact)·Imean)/K(Posact), wobei Imean der Mittelwert des von dem PWM-Signal als Spannungssignal erzeugten Betriebsstromes I, B(Tact) ein Koppelfaktor in Abhängigkeit der aktuellen Betriebstemperatur Tact und K(Posact) ein Koppelfaktor in Abhängigkeit der aktuellen Position Posact des Wastegates 21 ist.
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Der Mittelwert Imean des Betriebsstromes I wird von einer Stromberechnungseinheit 51a berechnet, wobei diese Stromberechnungseinheit 51a auch Teil des Motorsteuergerätes 60 sein kann.
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Der Schließkraft-Sollwert Freq und der Schließkraft-Istwert Fact_est werden zur Bildung der Regelabweichung einem Summenglied 50c zugeführt, um anschließend mittels eines PID-Reglers 50b ein Steuersignal SF zu erzeugen, welches gemäß 6 über das Summenglied 44 der Treiberschaltung 41 zugeführt wird, die hieraus das PWM-Spannungssignal UPWM als Steuergröße für den Elektromotor 31 bildet.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 wird gegenüber demjenigen nach 6 auch auf einen Temperatursensor 35 zur Schätzung der aktuellen Schließkraft als Schließkraft-Istwert Fact_est zur Regelung der Schließkraft F verzichtet und stattdessen auch diese aktuelle Temperatur Tact mittels einer Temperaturschätzeinheit 52 unter Verwendung eines mathematischen Modells geschätzt und als Tact_est-Wert der Schließkraftschätzeinheit 51 zugeführt. Hierzu werden die Betriebsparameter aktueller Betriebsstrom Iact und das von der Treiberschaltung 41 erzeugte Spannungssignal UPWM, welches die Motorspannung des Elektromotors 31 darstellt, verwendet, wie im Detail weiter unten anhand der 13 erläutert werden soll. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die Funktion dem Ausführungsbeispiel nach den 6 und 4.
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Die 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Aufbau der Steuereinheit 40 demjenigen aus 2 entspricht, jedoch der Stellantrieb 30 anstelle eines Kraftsensors 34 einen Temperatursensor 35 aufweist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 9 wird die Schließkraft F an dem Wastegate 21 auf einen Sollwert eingeregelt, jedoch wird nicht die Schließkraft F selbst als Regelgröße verwendet, sondern der Betriebsstrom 1 als Betriebsparameter des Elektromotors 31, wie anhand der 10 erläutert werden soll.
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Der an ein Motorsteuergerät 60 angeschlossene Schließkraftregler 50 nach 10 umfasst eine Schließkraftberechnungseinheit 50a, die auf der Basis von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 einen Schließkraft-Sollwert Freq bestimmt und diesen Sollwert einer Sollstromberechnungseinheit 50d zuführt, die auf der Basis eines mathematischen Modells einen Betriebsstrom-Sollwert Ireq schätzt. Dieses mathematische Modell verwendet folgende Formel: Ireq = (Freq·K(Posact))/B(Tact), wobei Freq der Schließkraft-Sollwert, K(Posact) ein Koppelfaktor in Abhängigkeit der aktuellen, von dem Positionssensor 33 erzeugten Wastegateposition Posact und B(T) ein Koppelfaktor in Abhängigkeit der aktuellen, von dem Temperatursensor 35 erzeugten Betriebstemperatur Tact darstellt.
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Ferner umfasst der Schließkraftregler 50 eine Stromberechnungseinheit 51a, welche aus dem Betriebsstrom Iact des Elektromotors 31 einen Mittelwert Imean als Betriebsstrom-Istwert Iist berechnet, wobei diese Stromberechnungseinheit 51a auch Teil des Motorsteuergerätes 60 sein kann.
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Der Betriebsstrom-Sollwert Ireq und der Betriebsstrom-Istwert Iist werden zur Bildung einer Regelabweichung einem Summenglied 50c zugeführt, um anschließend mittels eines PID-Reglers 50b ein Steuersignal SF zu erzeugen, welches gemäß 9 über das Summenglied 44 der Treiberschaltung 41 zugeführt wird, die hieraus das PWM-Spannungssignal UPWM als Steuergröße für den Elektromotor 31 bildet.
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Bei dem letzten Ausführungsbeipiel gemäß 11 wird gegenüber demjenigen nach 9 auf einen Temperatursensor 35 verzichtet und stattdessen die aktuelle Temperatur Tact mittels einer Temperaturschätzeinheit 43 unter Verwendung eines mathematischen Modells geschätzt. Hierzu werden als Betriebsparameter der aktuelle Betriebsstrom Iact und die von der Treiberschaltung 41 erzeugte Spannungssignal UPWM verwendet, wie im Detail weiter unten anhand der 13 erläutert werden soll. Ansonsten entsprechen der Aufbau, insbesondere auch der Aufbau des Schließkraftreglers 50 nach 12 und die Funktion dem Ausführungsbeispiel nach den 9 und 7, nur dass die aktuelle Temperatur nicht von einem Temperatursensor 35 zur Verfügung gestellt wird, sondern als geschätzter Wert Tact_est von der Temperaturschätzeinheit 52 dem Schließkraftregler 50 zugeführt wird. Zur Berechnung dieses Tact_est-Wertes wird der Temperaturschätzeinheit 52 gemäß 12 neben dem Spannungssignal UPWM als Motorspannung des Elektromotors 31 auch als Stromwert der von der Stromberechnungseinheit 51a berechneten Betriebsstrom-Istwerts Iist und die Batteriespannung UBatt eines Bordnetzes zugeführt.
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Wie angekündigt werden der Aufbau und die Funktion der Temperaturschätzeinheit 52 nach 13 im Folgenden erläutert.
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Nach 13 umfasst diese Temperaturschätzeinheit 52 eine Spannungsberechnungseinheit 52a, eine Widerstandsberechnungseinheit 52b und eine Temperaturberechnungseinheit 52c. Die Motorspannung UPWM und die Batteriespannung UBatt wird der Spannungsberechnungseinheit 52a zugeführt, aus der eine mittlere Spannung Umean berechnet wird, die zusammen mit dem mittleren Strom Imean als Betriebsstrom-Istwert Iist der Widerstandsberechnungseinheit 52b zur Verfügung gestellt wird, die gemäß folgender Formel den elektrischen Widerstand R der Wicklung des Elektromotors 31 berechnet: R = Umean/Imean.
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Dieser Wert R des berechneten Widerstandes wird der Temperaturberechnungseinheit 52c zugeführt, die mittels eines Temperaturmodells gemäß einer Funktion T = f(R) den Temperaturschätzwert Tact_est bestimmt.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 9 wird der Sollwert, auf den die Schließkraft F am Wastegate 21 eingeregelt wird, auf einen niedrigeren Wert abgesenkt, wenn die mit dem Temperatursensor 35 erfasste Betriebstemperatur Tact des Elektromotors 31 oder die mit der Temperaturschätzeinheit 52 geschätzte Betriebstemperatur Tact_est einen Übertemperatur-Schwellwert erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasturbolader der Brennkraftmaschine 1
- 2a
- Turbine des Abgasturboladers 2
- 2b
- Verdichter des Abgasturboladers 2
- 3
- Brennkammer der Brennkraftmaschine 1
- 4
- Abgasleitung der Brennkraftmaschine 1
- 4a
- Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1
- 5
- Frischluftkanal der Brennkraftmaschine 1
- 6
- Ladedrucksensor
- 7
- Drosselklappe
- 8
- Ladeluftkühler
- 9
- Luftmassensensor
- 10
- Umluftventil
- 11
- Bypass-Kanal
- 12
- Katalysator
- 20
- Bypass-Ventilanordnung
- 21
- Wastegate der Bypass-Ventilanordnung 20
- 30
- Stellantrieb
- 31
- Motor, Elektromotor
- 32
- Schubstange
- 33
- Positionssensor
- 34
- Kraftsensor
- 35
- Temperatursensor
- 40
- Steuereinheit
- 41
- Treiberschaltung
- 42
- Stellungsregler
- 43
- Diagnoseeinheit
- 44
- Summenglied
- 50
- Schließkraftregler
- 50a
- Schließkraftberechnungseinheit
- 50b
- PID-Regler
- 50c
- Summenglied
- 50d
- Sollstromberechnungseinheit
- 51
- Schließkraftschätzeinheit
- 51a
- Stromberechnungseinheit
- 52
- Temperaturschätzeinheit
- 52a
- Spannungsberechnungseinheit
- 52b
- Widerstandsberechnungseinheit
- 52c
- Temperaturberechnungseinheit
- 60
- Motorsteuergerät
- 70
- Computerprogramm
- 71
- Computerprogrammprodukt
- 72
- Entscheidungsblock
- 73
- Anweisung
- 74
- Anweisung
- 75
- Anweisung
- 80
- Speichermedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008051818 A1 [0003, 0005, 0007]
- DE 102009028117 A1 [0006]