DE10333320B4

DE10333320B4 - Elektromechanischer Stellantrieb zum Regeln des Turbokompressors von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE10333320B4
Application number: DE10333320A
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Natali
Original assignee: Individual
Current assignee: Faist Componenti SpA Montone It
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: ITAR20020027A0; US6925803B2; DE10333320A1; ITAR20020027A1; US20040016233A1

Abstract

Ein elektromechanischer Stellantrieb zum Regeln des Turbokompressors von Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch:
– a) eine elektromechanische Gruppe mit einem Solenoid (1), versehen mit einem gleitenden ferromagnetischen Kern (2), der mit einem Stab (3) verbunden ist, der mit der Steuereinrichtung (4) des Turbokompressors (5) Wechselwirken soll, sowie mit einem System zur Bestimmung der vom ferromagnetischen Kern (2) im Solenoid (1) eingenommenen Position; und
– b) einen elektronischen Schaltkreis, der: – im Eingang mindestens ein Signal der Motorsteuerung und ein Rückkoppelungs- oder Feedback-Signal über die Position des ferromagnetischen Kerns (2) im Solenoid (1) empfängt; – im Ausgang, in Abhängigkeit von den Eingangssignalen, den Strom erzeugt, mit dem der Solenoid (1), der ein Magnetfeld erzeugt, gespeist wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, durch den der Turbokompressor von Verbrennungsmotoren geregelt wird.
Es ist bekannt, dass Turbokompressoren von Verbrennungsmotoren eine Vorrichtung zum Regeln des Ausgangsdrucks des Kompressors benötigen.
Diese Vorrichtung wird von einem Stellantrieb angetrieben, der von der Motorsteuerung (ECU) oder einem anderen gleichwertigen System gesteuert wird. Der Zweck ist der, die nötige Kraft zur Verfügung zu stellen, um den oder die Hebel zum Regeln des Turbokompressors zu bewegen und in der richtigen Position zu halten. Um eine maximale Effizienz des Turbos bei Veränderungen im Drehzahlbereich des Motors zu erreichen, muss die Regelung des Ausgangsdrucks des Kompressors so schnell und genau wie möglich erfolgen, je nach den von der ECU oder einem anderen gleichwertigen elektronischen System, der Einfachheit halber im Folgenden Steuerung genannt, gelieferten Informationen.
Unabhängig von dem Verfahren, mit dem der Ausgangsdruck des Kompressors verändert wird, also sowohl bei der ”Waste-Gate”-Lösung als auch bei der Ausführungsform, bei der die Ausrichtung der Flügel des Turbinenstators (Turbokompressor mit variabler Geometrie) verändert wird, erfolgt die Regelung normalerweise durch lineares, oder jedenfalls fast lineares, Gleiten einer Steuereinrichtung.
Beim Stand der Technik sind die am weitesten verbreiteten Systeme zur Regelung des Turbokompressors die folgenden zwei:
Der erste ist pneumatisch und deckt ca. 99% der Anwendungen ab;
der zweite, REA (Rotary Electric Actuator) genannt und durch das amerikanische Patent mit der Nr. 6,360,541 B2 geschützt, ist elektrisch. Ein elektromotorischer Stellantrieb zur Regelung eines Turbokompressors ist außerdem aus der deutschen Patentanmeldung DE 101 56 586 A1 bekannt. Schließlich wird in der deutschen Patentschrift DE 38 09 881 C2 ein Verfahren zur Regelung eines Turbokompressors beschrieben.
Der pneumatische Stellantrieb, also der des ersten Typs, setzt sich zusammen aus einem einfachwirkenden Druckzylinder- bestehend aus einer dichten Kammer, einer Membran und einem Kolben mit Feder –, der mit Druck oder Unterdruck arbeitet. Die Kontrolle des Turbokompressors durch die elektronische Motorsteuerung ist indirekt oder sogar, wie bei Turbos mit Anschluss für Zusatzgeräte, direkt an der Ummantelung, unmöglich.
Das von der elektronischen Motorsteuerung übertragene Signal moduliert nämlich ein Elektroventil, das, indem es auf einen Gleichdruckbehälter wirkt, den Wert des Drucks oder Unterdrucks regelt, der den Stellantrieb erreichen muss, der dann entsprechend die Steuereinrichtung steuert. Auch wenn dieses System relativ kostengünstig ist, weist es doch die folgenden Nachteile auf:
Es ist, auf Grund der Vielzahl von Hebelsystemen und der nicht zu unterschätzenden Relevanz der inneren Reibung, die auch zu einer Hysterese des Systems führen kann, ungenau;
es ist wegen des pneumatischen Antriebs langsam, weshalb die Fließtransienten die Reaktionsfähigkeit des Systems hemmen, wenn plötzliche Veränderungen der Drehzahl des Motors auftreten;
es erfordert ein spezielles pneumatisches System mit Verbindungen, Behälter und Elektroventil zur Regelung, das beim Umschalten des Motors, an den dieser Stellantrieb angeschlossen ist, reagiert.
Der REA-Stellantrieb, also der des zweiten Typs, besteht aus einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe mit Drehausgang. Das Steuersystem wechselwirkt mit einer Vielzahl von Sensoren, darunter das Abgas-Rückfür-System (EGR), um den Betrieb des Turbos mit dem des Motors und des EGR koordinieren zu können.
Dieser REA-Stellantrieb:
erfordert einen Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe, das seine Geschwindigkeit beschränkt und das abgehende Drehmoment erhöht, um damit die Steuerstelle steuern zu können.;
erfordert eine Vielzahl von Kontrollverbindungen, die für einen Einsatz an unterschiedlichen Motorgruppen angepasst werden müssen;
verlegt die Elektronik für eine Reihe von Funktionen, die normalerweise bei anderen Arten von Stellantrieben die elektronische Motorsteuerung übernimmt, in die ”heiße Zone”;
ist ziemlich komplex und daher teuer.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe der Turbokompressor von Verbrennungsmotoren geregelt werden kann, also eine Vorrichtung, durch die die Steuereinrichtung (Steuerstelle) gesteuert werden kann. Diese Vorrichtung soll einfach aufgebaut, effizient und auch bei Motoren verschiedenster Art leicht anzuwenden sein. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu konzipieren, die durch ihren Einbau die Komplexität des Aufbaus des Motors reduziert. Ferner soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit linearer oder jedenfalls fast linearer Bewegung seiner Steuereinheit, die so angeschlossen werden soll, dass der Einbau und die Kräfte- sowie Bewegungsübertragung an die Steuereinrichtung vereinfacht werden.
Ein weiterer Zweck ist schließlich der, eine Vorrichtung zu konzipieren, die nicht mit Hysteresefehlern belastet ist und die extrem kurze Reaktionszeiten auf die empfangenen Signale aufweist, so dass die Effizienz und die Flexibilität des Turbo-Motor-Systems erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung, die es ermöglicht, solche Ergebnisse zu erzielen, umfasst:
a) eine elektromechanische Gruppe mit einem ein Magnetfeld generierenden Solenoid, versehen mit einem in seinem Inneren gleitenden ferromagnetischen Kern, der mit einem Stab verbunden ist, der mit der Steuereinrichtung des Turbokompressors in Verbindung steht, und außerdem mit einem System zur Bestimmung (Peilung) der Position des ferromagnetischen Kerns in seinem Inneren;
b) einen elektronischen Schaltkreis, der: – im Eingang mindestens das Signal der elektronischen Motorsteuerung und das Rückkoppelungs- oder Feedback-Signal, entsprechend der Position des elektromagnetischen Kerns im Solenoid, empfängt; – im Ausgang den diesen Eingangssignalen entsprechenden Strom erzeugt, mit dem das ein Magnetfeld generierende Solenoid gespeist wird.
Eine derartige Erfindung ist besonders vorteilhaft, da sie sehr einfach aufgebaut, effizient und vor allem sehr vielseitig ist in dem Sinne, dass sie bei den unterschiedlichsten Motoren einfach angewendet oder angepasst werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung beruht darauf, dass sie die Komplexität des Motoraufbaus reduziert, da keine pneumatischen Gruppen verwendet werden und sie keine Verbindungen mit besonderen Sensoren erfordern, die im Fahrzeug verteilt sind und jederzeit die Funktionsbedingungen anzeigen.
Noch ein Vorteil ergibt sich daraus, dass der Teil, der dazu bestimmt ist, die Steuerstelle anzutreiben, d. h. der Stab, in Verbindung mit dem im Solenoid gleitenden ferromagnetischen Kern, nur in Achsrichtung gleitet, weshalb er leicht mit der Steuereinrichtung verbunden werden kann und gleichzeitig den Anschluss der mechanischen Struktur des Solenoids an den von diesem gesteuerten Turbokompressor oder einen anderen Teil des Motors erleichtert.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, das die Reibung sehr eingeschränkt ist, also der Hystereseeffekt, den diese auslöst, gegen null geht oder jedenfalls jederzeit ausgeglichen wird, da die Position des ferromagnetischen Kerns und damit der Umfang der Aktivierung des Turbokompressors an das Feedbacksignal gebunden ist, das die notwendige Kompensation ermöglicht. Außerdem erfolgt die Reaktion auf Veränderungen in der Funktionsweise des Motors unmittelbar, zumindest ist die Reaktionszeit minimal, so dass eine kontinuierliche und fast optimale Regelung des Ausgangsdrucks der Kompressorgruppe des Turbokompressors ermöglicht wird.
Weitere Vorteile sind für die mit diesem Gebiet Vertrauten aus der folgenden Beschreibung leicht ersichtlich.
Die Erfindung wird in ihrer funktionalen Logik leicht verständlich, wenn man der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Blockschemata und schematischen Zeichnungen folgt, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft darstellen.
In den Zeichnungen
ist 1 das beispielhafte Blockschema der Funktionsweise der Erfindung;
verdeutlicht 2 das Beispiel einer Ausführungsform, bei der der Sensor zur Peilung der Position des ferromagnetischen Kerns im Solenoid mit einem Widerstand hergestellt ist, der als Potentiometer wirkt;
ist 3 ein elektrisches Schema, das die Erfindung beispielhaft verdeutlicht;
ist 4 die Frontalansicht der elektromechanischen Gruppe, teilweise im Querschnitt, die den Aufbau des Solenoids und des Sensors, der zur Peilung der Position des ferromagnetischen Kerns dient und mit einem Widerstand hergestellt ist, sowie den Anschluss dieser Gruppe an das Gehäuse des Turbokompressors hervorhebt.
Es versteht sich, dass die Zeichnungen schematischer Natur sind und dem Zweck dienen, das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, ohne dass diese jedoch in irgendeiner Weise eingeschränkt würde.
Im Wesentlichen besteht die Erfindung also aus einem elektromechanischen Stellantrieb, durch den bei Variationen der Betriebsbedingungen des Motors mindestens die Betriebsbedingungen des Kompressors verändert, der das Aufladen des Motors reguliert.
Der erfindungsgemäße Stellantrieb, durch den die Steuereinrichtung des Turbokompressors angetrieben wird, besteht aus der Kombination einer elektromechanischen Gruppe mit einem elektronischen Schaltkreis zu seiner Regelung und Steuerung.
Die elektromechanische Gruppe, schematisch dargestellt in 4, umfasst das Solenoid 1, versehen mit dem ferromagnetischen Kern 2, der normalerweise aus ferromagnetischem Material mit minimaler Hysterese besteht.
Dieser ferromagnetische Kern 2 gleitet innerhalb des Solenoids 1 und ist mit einem Stab 3 verbunden, der dazu dient mit dem Steuerpunkt 4 des Turbokompressors 5 zu interagieren.
Der ferromagnetische Kern 2 aktiviert, bei der in der Zeichnung beispielhaft dargestellten Ausführungsform, über einen Hebel 6 den Sensor 7, der dazu dient, die Position des Kerns zu bestimmen (peilen) und anzuzeigen. Bei dieser Ausführungsform ist der Sensor 7 ein Widerstand, der, wie z. B. in 2 schematisch dargestellt, funktioniert. So befinden sich beispielsweise die Kontakte 20, die mit dem normalerweise linearen Widerstand 10 Wechselwirken, auf dem Hebel 6 aus 4. Die Kontakte 20 bestimmen also jederzeit die Position, die der ferromagnetische Kern 2 im Solenoid 1 einnimmt. Bei einer anderen Ausführungsform besteht der Sensor 7 aus einem kapazitiven Widerstand. Bei einer weiteren Ausführungsform agiert der Sensor 7, also die Vorrichtung, mit deren Hilfe die Kontrolle der Position des ferromagnetischen Kerns 2 im Solenoid 1 erfolgt, durch einen Induktivmesser im Solenoid 1, der sich je nach Grad des Eindringens des ferromagnetischen Kerns 2 in dieses ändert.
Es können also verschiedene Sensoren 7 eingesetzt werden, um im Ausgang ein Feedback-Signal über die Position des ferromagnetischen Kerns 2 im Verhältnis zum Solenoid 1 zu erhalten. Als Bezugsposition und Startpunkt (Ruheposition) der Bewegung des ferromagnetischen Kerns 2 ist in der in 4 beispielhaft verdeutlichten Ausführungsform die Anschlagplatte 12 anzusehen, gegen die der ferromagnetische Kern 2 von der um den Stab 3 gewickelten Druckfeder 8 geschoben wird.
Der in 1 und 3 schematisch dargestellte elektronische Schaltkreis empfängt im Eingang mindestens das Signal der elektronischen Motorsteuerung oder von einem anderen gleichwertigen System und über den Sensor 7 das Rückkoppelungs- oder Feedback-Signal über die Position des ferromagnetischen Kerns 2 im Solenoid 1. Im Ausgang erzeugt dieser elektronische Schaltkreis den elektrischen Strom, der, abhängig von den beiden Eingangssignalen, an das Solenoid 1 übertragen wird. Die Regelung und Kontrolle dieses elektrischen Stroms ermöglichen eine Regelung und Kontrolle des vom Solenoid 1 erzeugten Magnetfelds und somit die Position des ferromagnetischen Kerns 2.
Jedem vom Solenoid 1 ausgehenden elektrischen Impuls entspricht daher eine Position des ferromagnetischen Kerns 2 und ein entsprechender Betriebszustand des Hebelsystems 21 oder eines anderen Einstellmechanismuses des Turbokompressors 5, der an der Steuereinrichtung 4 endet.
Die elektromechanische Gruppe weist geeignete Elemente 11 für ihre Verankerung am Turbokompressor 5 oder an dem Motor auf, an dem dieser Turbokompressor angeschlossen ist. Diese Elemente können jedoch auf vielerlei Art variieren, je nach Art des Motors, bei der die Erfindung benutzt wird. Bei diesen Elementen handelt es sich normalerweise um Flanschelemente 11, wie in 4 beispielhaft dargestellt.
Das Solenoid 1 dieser elektromechanischen Gruppe kann beliebig aufgebaut sein. Normalerweise besteht es aus einer ein- oder mehrschichtigen Wicklung, hergestellt aus Leitungsdraht, normalerweise Kupfer, der beschichtet und/oder mit geeignetem Isoliermaterial behandelt ist, so dass er auch dort angebracht werden kann, wo während des Betriebs des Motors relativ hohe Temperaturen erreicht werden.
Das Solenoid 1 wirkt als magnetischer Induktor und ist mit dem ferromagnetischen Kern 2 kombiniert, der einteilig mit dem Stab 3, durch den die Steuereinrichtung 4 betätigt wird, ausgebildet ist.
Der ferromagnetische Kern 2 ist bei der beispielhaft illustrierten Ausführungsform einteilig mit dem Hebel 6, der den Sensor 7 aktiviert. Dieser Hebel 6 weist an seinem freien Ende normalerweise elektrische Kontaktstellen 20 mit hoher Leitfähigkeit auf, die über den normalerweise linearen Widerstand 10 reiben, so dass beim Gleiten des ferromagnetischen Kerns 2 der Kontakt 20 über den Widerstand 10 geführt wird, wodurch die Erfassung eines Teils des an den Enden des Widerstands 10 vorhandenen Signals ermöglicht wird, so dass der programmierten Steuereinheit die genaue Position des ferromagnetischen Kerns 2 im Solenoid 1 gemeldet werden kann. So ist es jederzeit möglich, das notwendige Gleiten des ferromagnetischen Kerns 2 zu steuern, um einen eventuellen Hystereseeffekt auszugleichen.
Der elektronische Schaltkreis, durch den der Strom im Solenoid 1 und somit die Bewegung der Steuerstelle 4 je nach Betriebsart des Motors gesteuert und geregelt wird, besteht aus zwei Teilen, wie in 1 und 3 beispielhaft dargestellt. Ein erster Steuerungsteil 14 besteht z. B. aus einem programmierbaren Mikrokontroller, während der zweite Teil ein Leistungsteil 15 ist, der das Solenoid mit Strom speist, dessen Stärke auch mehrere Ampere erreichen kann.
Der Steuerungsteil 14 weist zwei Eingänge auf; über den einen empfängt er das Signal der Motorsteuerung, die den Betriebszustand des Motors bestimmt oder jedenfalls dazu proportional ist, über den anderen das Feedback-Signal des Kontrollsensors 7, der von dem im Solenoid 1 gleitenden ferromagnetischen Kern 2 gesteuert wird. Dieses letztere Signal ermöglicht es, jederzeit die Position des ferromagnetischen Kerns 2 im Solenoid 1 zu kennen und somit auch die Position der Steuerstelle 4 im Turbokompressor.
Die elektronische Steuerung besteht also bei der in 3 wiedergegebenen praktischen Ausführungsform aus einem ersten Teil 14, der eine Differentialverstärkergruppe umfasst, die im Eingang das Signal der elektronischen Motorsteuerung und das Rückkoppelungs- oder Feedback-Signal empfängt, das vom Sensor 7 ausgeht und vom Verstärker 18 verstärkt wird. Dieser Teil umfasst außerdem die Gruppe 19, durch die der Temperaturausgleich erfolgt, so dass die Erfindung unempfindlich wird gegen thermische Betriebsbedingungen.
Diesem ersten Teil 14 folgt ein zweiter Teil 15, oder auch Leistungsteil, der das Solenoid 1 steuert.
Bei der vorliegenden Erfindung wird also der Betriebszustand des Turbokompressors über eine elektromechanische Gruppe mit Induktorsolenoid gesteuert, deren Betriebssystem von der elektronischen Steuerung vom Typ ECU oder einem anderen gleichwertigen Typ gesteuert wird, wobei die Korrektur durch den Sensor 7 durchgeführt wird, der jederzeit die Position des ferromagnetischen Kerns 2 im Solenoid 1 und somit die der Steuereinrichtung 4 anzeigt.
In der Durchführungsphase können sich die Details der Ausführung verändern, wobei jedoch die funktionale Logik der Erfindung, wie sie in den folgenden Patentansprüchen definiert wird, erhalten bleibt.

Claims

Ein elektromechanischer Stellantrieb zum Regeln des Turbokompressors von Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch: – a) eine elektromechanische Gruppe mit einem Solenoid (1), versehen mit einem gleitenden ferromagnetischen Kern (2), der mit einem Stab (3) verbunden ist, der mit der Steuereinrichtung (4) des Turbokompressors (5) Wechselwirken soll, sowie mit einem System zur Bestimmung der vom ferromagnetischen Kern (2) im Solenoid (1) eingenommenen Position; und – b) einen elektronischen Schaltkreis, der: – im Eingang mindestens ein Signal der Motorsteuerung und ein Rückkoppelungs- oder Feedback-Signal über die Position des ferromagnetischen Kerns (2) im Solenoid (1) empfängt; – im Ausgang, in Abhängigkeit von den Eingangssignalen, den Strom erzeugt, mit dem der Solenoid (1), der ein Magnetfeld erzeugt, gespeist wird.
Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Solenoid (1) eine Wicklung aufweist, die einen beschichteten und/oder mit geeignetem Isoliermaterial behandelten Leitungsdraht besitzt, der auch bei hohen Temperaturen verwendbar ist.
Stellantrieb gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Kern (2) und der Stab (3), der die Steuereinrichtung (4) steuert, einteilig ausgebildet sind.
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Peilsensor (7), durch den die Kontrolle der Position des ferromagnetischen Kerns (2) im Solenoid (1) erfolgt.
Stellantrieb gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Peilsensor (7) einen normalerweise linearen Widerstand aufweist.
Stellantrieb gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Peilsensor (7) eine kapazitive Gruppe aufweist.
Stellantrieb gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Peilsensor (7), eine Vorrichtung zur Messung der Induktivität des Solenoids (1) bei Änderung der Position des ferromagnetischen Kerns (2) umfasst.
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (3) an einem Ende einteilig mit dem ferromagnetischen Kern (2) verbunden ist und an seinem anderen Ende Elemente für seine Verbindung mit der Steuereinrichtung (4) des Turbokompressors aufweist.
Stellantrieb gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Stab (3) eine Feder (8) so einwirkt, dass sie den ferromagnetischen Kern (2) in eine Ruheposition drückt.
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltkreis ein Steuerteil (14) und ein Leistungsteil (15) aufweist, der das Solenoid (1) speist.
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltkreis ein Steuerteil (14) mit zumindest zwei Eingängen aufweist, wobei es über den einen das Signal der elektronischen Motorsteuerung, vom Typ ECU oder einem anderen gleichwertigen Typ, empfängt und über den anderen das Rückkoppelungs- oder Feedback-Signal von dem Sensor (7) über die Position des ferromagnetischen Kerns (2) im Solenoid (1).
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltkreis ein Steuerteil (14) umfasst, das den an das Solenoid (1) übertragenen elektrischen Strom in Abhängigkeit von den am Eingang empfangenen Signalen erzeugt.
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltkreis ein Steuerteil (14) umfasst, das mindestens eine Differentialverstärkergruppe aufweist, die am Eingang das Signal der elektronischen Motorsteuerung und das vom Sensor (7) gesendete Feedback-Signal empfängt und das den Strom erzeugt, mit dem, durch eine Leistungsverstärkergruppe (15), das Solenoid (1) gespeist wird.
Stellantrieb gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektromechanische Gruppe, die mit Elementen zu ihrer Verankerung am Turbokompressor (5) oder am Motor versehen ist.
Stellantrieb gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch Flanschelemente (11) zur Verankerung der Gruppe am Turbokompressor (5).