DE10234717A1

DE10234717A1 - Steuerverfahren für einen Steller in einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10234717A1
Application number: DE10234717A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren für einen Abgasturbolader, um das Auftreten einer Hysterese an dem Steller zu vermeiden, wird dieser mit mindestens zwei Stellsignalen (S1, S2) angesteuert, die den Steller in eine effektive Position bewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für einen Steller in einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine.

Steller zur Ansteuerung des Turbinenverhaltens im Abgasturbolader zeigen ein große Streuung hinsichtlich ihrer Stellwirkung. Insbesondere eine fehlende Stellwirkung aufgrund von sogenannten Hystereseeffekten führt zu einer ineffizienten Ladedruckregelung durch den Abgasturbolader. Auftretende Hystereseeffekte, die beispielsweise durch Reibung, Verkantung und/oder Alterung des Stellers oder seiner Bauteile herbeigeführt werden, lassen sich schlecht durch ein Modell in der Motorsteuerung abbilden. Die auftretenden Effekte und ihre Stärke hängen ganz wesentlich von den physikalischen Randbedingungen im Abgastrakt ab. Diese Randbedingung vollständig zu erfassen und zu modellieren ist bei einigen Systemen nur schwer möglich. Hinzukommt, daß der Versteller selbst in der Umgebung des Abgastraktes widrigen Einflüssen ausgesetzt sind, die zu einer Beeinträchtigung des Stellverhaltens führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ansteuerverfahren für einen Steller im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das zuverlässig den Steller in die gewünschte Stellposition bringt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Steller mit zwei oder mehr Stellsignalen angesteuert. Zu jedem Stellsignal gehört eine Sollposition des Stellers, in die der Steller durch seinen Aktuator gebracht wird. Erfindungsgemäß werden die Stellsignale mit einer Dauer und einer Reihenfolge angelegt derart, daß der Steller über seinen Aktuator in eine effektive Position zwischen der ersten und der zweiten Sollposition gebracht wird. Erfindungsgemäß wird der Steller fortlaufend mit mindestens zwei Stellsignalen angesteuert, die eine Bewegung des Stellers in entgegengesetzte Richtungen herbeiführen. An dem Steller greifen also alternierend in entgegensetzte Richtung wirkende Kräfte an. Durch die abwechselnd angreifenden Kräfte wird sichergestellt, daß der Steller ohne Verzögerung in eine andere effektive Position bringbar ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedes Stellsignal so gewählt, daß die durch den Aktuator auf den Steller ausgeübte Stellkraft größer als eine auf den Steller wirkende Haltekraft ist. Der Steller bewegt sich also unter Einwirkung der Stellkraft minus der entgegengesetzt gerichteten Haltekraft in Richtung der zugehörigen Sollposition. Diese Bewegung wird durch das zweite Stellsignal und die zugehörige Stellkraft unterbrochen und in ihrer Richtung umgekehrt. Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung führt der Steller eine Zitterbewegung aus. Die Amplitude und Frequenz dieser Zitterbewegung hängt von der Dauer der Stellsignale und der Größe der Stellkräfte ab. Bevorzugt wird die Amplitude der Zitterbewegung klein gewählt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung liegen zwei Stellsignale alternativ mit einer ersten und einer zweiten Signaldauer an dem Aktuator zum Steller an.

Die Stellbewegung wird zweckmäßigerweise durch eine Verkürzung der ersten Signaldauer durchgeführt, wenn die effektive Position in Richtung der ersten Sollposition geändert werden soll. Die Verkürzung der zweiten Signaldauer führt entsprechend zu einer Änderung der effektiven Position in Richtung der zweiten Sollposition. Bevorzugt bleibt hierbei die Gesamtdauer von erster und zweiter Signaldauer konstant.

Da in dem Abgastakt bereits pulsierende Kräfte an dem Steller angreifen, ist es zweckmäßig, die Dauer für das erste und zweite Stellsignal abhängig von den angreifenden Kräften zu wählen. Zur Anpassung der Dauer der Stellsignale hat sich die Drehzahl als vorteilhaft herausgestellt, jedoch können auch andere Betriebsgrößen oder aus unterschiedlichen Betriebsgrößen zugesetzte Größen verwendet werden.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren für ein Wastegate in einer Bypass-Leitung zu einer Turbine des Abgasturboladers eingesetzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Brennkraftmaschine in schematischer Ansicht und
2 der Verlauf der Stellsignale über der Zeit.
1 zeigt in schematischer Ansicht eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine besitzt einen Ansaugtrakt 12, in dem ein Verdichter 14 des Abgasturboladers angeordnet ist. Stromabwärts von dem Verdichter 14 befindet sich eine Ladeluftkühlung 16 sowie eine Drosselklappe 18. Die verdichtete und gegebenenfalls gekühlte Ladeluft wird den Zylindern 20 der Brennkraftmaschine zugeführt, wobei in der Figur lediglich vier Zylinder dargestellt sind. Stromabwärts von den Zylindern befindet sich der Abgastrakt 22 mit einem Katalysator 24. Stromaufwärts von dem Katalysator 24 ist eine Turbine 26 des Abgasturboladers angeordnet. Die Turbine 26 ist mit dem Verdichter 14 gekoppelt (nicht dargestellt), wobei im Betrieb die Turbine 26 den Verdichter 14 antreibt.
Parallel zu der Turbine 26 im Abgastrakt 22 ist eine Bypass-Leitung 28 vorgesehen, die stromauf- und stromabwärts der Turbine 26 in den Abgastrakt mündet. In der Bypass-Leitung 28 ist eine Wastegate-Klappe 30 vorgesehen. Die Stellung der Wastegate-Klappe 30 erfolgt über eine Steuerung 32, die Teil einer Motorsteuerung ist. Ist die Wastegate-Klappe 30 geöffnet, wird ein Teil der Abgase an der Turbine 26 vorbeigeführt. Der geringe Abgasstrom durch die Turbine 26 führt zu einer geringeren Verdichtung, so daß über die Wastegate-Klappe der Ladedruck einstellbar ist. Zeigt die Wastegate-Klappe 30 nun ein Hystereseverhalten, so kommt es zu schwer bestimmbaren Schwankungen des Ladedrucks.
2 zeigt das Stellsignal S der Steuerung 32 über der Zeit. Das Stellsignal S liegt an dem Aktuator zur Wastegate-Klappe 30 an. Der Aktuator kann beispielsweise elektromotorisch betrieben werden. Es ist aber auch möglich, daß eine druckgeführte Membrandose als Aktuator für die Wastegate-Klappe dient. Wie 2 zu entnehmen ist, wechseln sich zwei Signalwerte S1 und S2 in der Zeit ab. Die Dauer für den Signalwert S1 ist mit t₁ gekennzeichnet, während die Signaldauer für das Signal S2 t₂ beträgt.
Bei der Ansteuerung ist bevorzugt die Summe t₁+ t₂= const. Um die Wastegate-Klappe 30 nun in Richtung der zum Stellsignal S1 gehörenden Sollposition zu bewegen, wird t₁ vergrößert und t₂ verkleinert. Die Stärke der Stellsignale ist dabei so eingestellt, daß in dem Zeitintervall t₁ eine resultierende Kraft an der Stellklappe angreift, die diese in Richtung der ersten Sollposition bewegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit über Dauer und Amplitudenwert stets einen Ansteuerwert für den Aktuator des Stellers zu definieren, der eine Wirkung bei dem Steller hervorruft. Die Art des Stellsignals selbst hängt von dem gewählten Steller ab. Wird beispielsweise bei einer Membrandruckdose ein elektrisches Schaltventil betätigt, so erfolgt dessen Ansteuerung durch getaktete Schaltsignale für das Ventil, über das die Kammern der Membrandose mit Druck beaufschlagt werden. In diesem Beispiel sind dann die Stellsignale S1 und S2 Taktsignale.
Neben einer Variation der Signaldauer kann eine Ansteuerung auch über eine Änderung der Signalwerte bzw. der Signalhöhen erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, den Signalwert S1 oder S2 selbst zu erhöhen, um die effektive Position in Richtung zur ersten bzw. zweiten Sollposition zu bewegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine gewünschte Änderung der effektiven Position auf zwei unterschiedliche Arten herbeigeführt werden: Einmal kann die Dauer des ersten Signals verkürzt oder der Signalwert erniedrigt werden, was zum selben Ergebnis führt, wie eine Verlängerung der zweiten Signaldauer oder eine Erhöhung des zweiten Stellsignals. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß das Stellverhalten unterschiedlich sensitiv auf eine Änderung des ersten und/oder des zweiten Stellers reagiert. Es wird daher für die gewünschte Änderung ein Kennfeld vorgesehen, das abhängig von Betriebsparametern und/oder der effektiven Position als Eingangsgrößen festlegt, ob die gewünschte Änderung der effektiven Position durch eine Änderung des ersten oder zweiten Signals erfolgt. Auch ist es denkbar Kennfelder vorzusehen, die eine Kombination der Signaländerungen ausgeben.
Die Ansteuerung kann auch als eine niederfrequente, kombinierte Amplituden-Pulsweitenmodulation ausgeführt werden. Über die Änderung des Tastverhältnisses bzw. der Amplitudenwerte wird ein hysteresefreier Stelleingriff ohne Verzögerung herbeigeführt.
Die vorliegende Erfindung wurde an dem Beispiel einer Wastegate-Klappe erläutert. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, daß erfindungsgemäße Verfahren auch bei Turbinen mit variabler Turbinengeometrie und sonstigen Einrichtungen zum Ansteu ern des Turbinenverhaltens bei dem Abgasturboladers einzusetzen.

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines Stellers (30) in einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Steller (30) mit zwei oder mehr Stellsignalen angesteuert wird, von denen ein erstes Stellsignal (S1) zu einer ersten Sollposition des Stellers (30) und das zweite Stellsignal (S2) zu einer zweiten Sollposition des Stellers (30) führt, und die Stellsignale (S1, S2) mit einer Dauer (t₁, t₂) und in einer Reihenfolge angelegt werden derart, daß der Steller (30) eine effektive Position zwischen der ersten und der zweiten Sollposition einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Stellsignal die auf den Steller (30) ausgeübte Kraft größer als die auf den Steller (30) wirkende Haltekraft ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stellsignale (Sl, S2) alternierend einer ersten und einer zweiten Signaldauer (t₁, t₂) an dem Steller (30) anliegen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (30) durch eine Verkürzung der ersten Signaldauer (t₁) in Richtung der ersten Sollposition und durch eine Verkürzung der zweiten Signaldauer (t₂) in Richtung der zweiten Sollposition gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdauer von erster und zweiter Signaldauer konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Stellsignale (S1, S2) variiert werden, wobei die Erhöhung des ersten Stellsig nalwerts den Steller in Richtung der ersten Sollposition und eine Erhöhung des zweiten Stellsignalwerts den Steller in Richtung der zweiten Sollposition stellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Signaldauer abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Steller ein Wastegate (30) in einer Bypass-Leitung (28) zu dem Abgasturbolader vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gewünschte Änderung der effektiven Position abhängig von einem Kennfeld entweder die Dauer des ersten Stellsignals verkürzt und des zweiten Stellsignals verlängert wird oder umgekehrt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gewünschte Änderung der effektiven Position abhängig von einem Kennfeld entweder der Wert für das erste Stellsignal erhöht und der Wert für das zweite Stellsignal erniedrigt wird oder umgekehrt.